IIC總線結構簡單且易于實現(xiàn)，廣泛應用于設備或模塊間(jiān)的(de)連接。在某些數據采集和(hé)電(diàn)源控制設備中，必須把IIC主設備與一個(gè)或多個(gè)從(cóng)設備隔離開(kāi)來(lái)，以便解決噪聲、接地(dì)、安全等問(wèn)題。本文(wén)主要介紹如何利用納芯微(wēi)電(diàn)子(zǐ)(NOVOSENSE)生(shēng)産的(de)NSi810x系列芯片高(gāo)效快速的(de)實現(xiàn)IIC設備隔離。

首先我們先來(lái)了解下(xià)NSi810x系列芯片。NSi810x系列芯片為(wèi)兼容IIC接口的(de)高(gāo)可靠性雙向數字隔離器(qì)，其符合AEC-Q100标準，具有(yǒu)高(gāo)電(diàn)磁抗擾度和(hé)低(dī)輻射的(de)特性。NSi810x系列産品的(de)主要性能指标如下(xià)：

l  高(gāo)達5000V隔離電(diàn)壓

l  IC時(shí)鐘(zhōng)速率：高(gāo)達2MHz

l  供電(diàn)電(diàn)壓範圍：2.5V~5.5V

l  高(gāo)CMTI:150kV/us

l  芯片級ESD:HBM高(gāo)達±6kV

l  高(gāo)系統級EMC性能：增強型系統級抗ESD、EFT、浪湧能力

l  隔離帶壽命：>60年(nián)

NSi810x系列均包含窄體(tǐ)SOIC8及寬體(tǐ)SOIC16兩種封裝形式，各型号功能框圖如下(xià)：

圖1 NSi8100/01窄體(tǐ)SOIC8封裝圖

圖2 NSi8100/1寬體(tǐ)SOIC-16封裝圖

NSi810x系列典型應用電(diàn)路(lù)

NSi810x系列産品外(wài)圍電(diàn)路(lù)簡單，隻需要雙端電(diàn)源供電(diàn)及在IIC通(tōng)信引腳連接上(shàng)拉電(diàn)阻滿足芯片的(de)開(kāi)漏驅動即可實現(xiàn)IIC總線的(de)隔離（如圖3）。那(nà)麽，如何選取合适的(de)上(shàng)拉電(diàn)阻，是該類應用電(diàn)路(lù)的(de)關鍵。

 圖3 隔離IIC外(wài)圍電(diàn)路(lù)

分析上(shàng)拉電(diàn)阻對(duì)隔離電(diàn)路(lù)的(de)影響時(shí)，需要考慮兩種情況。第一種情況是當SDA傳向SDA的(de)信号由高(gāo)電(diàn)平轉換為(wèi)低(dī)電(diàn)平時(shí)（如圖3），必須保證NSi810x的(de)輸出驅動能力I大于外(wài)部上(shàng)拉電(diàn)路(lù)的(de)上(shàng)拉能力I，SDA的(de)狀态才能跟随輸入狀态發生(shēng)相(xiàng)應變化(huà)。

I=15mA

I≈VDD2/ R

選取最大供電(diàn)電(diàn)壓5.5V的(de)情況, R應滿足如下(xià)條件(jiàn)：

R>5.5/0.015≈370Ω

當I

第二種情況是當SDA傳向SDA的(de)信号由低(dī)電(diàn)平轉換為(wèi)高(gāo)電(diàn)平時(shí)，由于NSi810x系列的(de)開(kāi)漏驅動特性，SDA的(de)狀态由外(wài)部上(shàng)拉電(diàn)路(lù)決定。此外(wài)，由于電(diàn)路(lù)中對(duì)地(dì)負載電(diàn)容與上(shàng)拉電(diàn)組的(de)RC電(diàn)路(lù)的(de)充電(diàn)效應，使得side2輸出恢複高(gāo)電(diàn)平的(de)時(shí)間(jiān)（t）與除了與隔離電(diàn)路(lù)傳播延時(shí)（t）有(yǒu)關，還(hái)與該RC電(diàn)路(lù)的(de)充放(fàng)電(diàn)時(shí)間(jiān)有(yǒu)關（t）,即

t= t+ t

在相(xiàng)同的(de)負載電(diàn)容情況下(xià)，上(shàng)拉電(diàn)阻越大，t 就越大，導緻輸出上(shàng)升時(shí)間(jiān)就越長(cháng)。又(yòu)由于其下(xià)降時(shí)間(jiān)不随RC的(de)大小(xiǎo)發生(shēng)變化(huà)，因此，過大的(de)上(shàng)拉電(diàn)阻可能會導緻輸出信号的(de)占空比發生(shēng)改變。當信号速率越高(gāo)，信号鏈越長(cháng)，該狀況引起的(de)危害越大。

由SDA向SDA發送信号時(shí)的(de)狀況與此類似，在此不進行贅述。

 圖4 隔離IIC信号傳輸波形

由上(shàng)述可知，在滿足芯片能夠正常工(gōng)作(zuò)的(de)前提下(xià)，從(cóng)信号完整性的(de)角度來(lái)說(shuō)，上(shàng)拉電(diàn)阻的(de)阻值取得越小(xiǎo)越好(hǎo)。但(dàn)在系統級應用中，我們還(hái)需要更全面的(de)考慮其帶來(lái)的(de)影響。當我們選取的(de)上(shàng)拉電(diàn)阻阻值越小(xiǎo)，信号端被驅動低(dī)電(diàn)平狀态時(shí)，該電(diàn)阻在系統中消耗的(de)功耗就越大。因此，在實際應用中，我們應該在滿足信号有(yǒu)效傳輸的(de)前提下(xià)，選取最大的(de)上(shàng)拉電(diàn)阻以減小(xiǎo)功耗。

NSi810x系列實現(xiàn)防闩鎖雙向通(tōng)信的(de)原理(lǐ)

圖5低(dī)電(diàn)平闩鎖電(diàn)路(lù)等效圖

一個(gè)雙向傳輸的(de)隔離通(tōng)道(dào)可利用兩個(gè)反向傳輸的(de)數字隔離通(tōng)道(dào)組成。然而，如果單純的(de)将兩個(gè)反向通(tōng)道(dào)相(xiàng)連，那(nà)麽任何一端的(de)總線狀态會由外(wài)界輸入和(hé)另一端的(de)傳輸信号相(xiàng)與得到。當有(yǒu)一端外(wài)界輸入低(dī)電(diàn)平信号時(shí)，總線狀态将會鎖死為(wèi)低(dī)電(diàn)平狀态而無法釋放(fàng)，其等效電(diàn)路(lù)狀态如圖5所示。

為(wèi)了解決這(zhè)種問(wèn)題，NSi810x在side1端增加內(nèi)部偏置電(diàn)路(lù)，當side2發送低(dī)電(diàn)平信号至side1時(shí)，該電(diàn)路(lù)将低(dī)電(diàn)平信号拉高(gāo)至V，對(duì)通(tōng)常的(de)COMS或TTL電(diàn)平來(lái)說(shuō)，該電(diàn)壓還(hái)是被判定為(wèi)低(dī)電(diàn)平，但(dàn)對(duì)于NSi810x芯片來(lái)說(shuō)，V在side1端作(zuò)為(wèi)輸入則會被識别為(wèi)高(gāo)電(diàn)平傳輸到side2，從(cóng)而起到了解除低(dī)電(diàn)平闩鎖的(de)目的(de)。

以下(xià)是side1端發送信号電(diàn)平轉換的(de)幾種情況：

I）、side1發送信号由高(gāo)電(diàn)平轉換為(wèi)低(dī)電(diàn)平

l  由外(wài)部信号向side1發送低(dī)電(diàn)平信号（step1）

l  經過隔離通(tōng)道(dào)的(de)傳播延時(shí)時(shí)長(cháng)(t)，低(dī)電(diàn)平信号傳送至side2（step2）;

l  再經過隔離通(tōng)道(dào)傳播延時(shí)時(shí)長(cháng)(t)，side2的(de)低(dī)電(diàn)平信号再次回傳至side1(step3)

l  side1的(de)實際信号為(wèi)外(wài)部輸入信号(step1)與side2回傳的(de)信号(step3)相(xiàng)與。因此，在外(wài)部輸入信号由高(gāo)變低(dī)時(shí)，實際信号由高(gāo)變低(dī)（step4）。

II）、side1發送信号由低(dī)電(diàn)平轉換為(wèi)高(gāo)電(diàn)平

l  由外(wài)部信号向side1發送高(gāo)電(diàn)平信号(step1);

l  經過隔離通(tōng)道(dào)的(de)傳播延時(shí)時(shí)長(cháng)(t), side2端狀态由上(shàng)拉電(diàn)阻拉高(gāo)(step2);

l  再經過隔離通(tōng)道(dào)傳播延時(shí)時(shí)長(cháng)(t),side2的(de)高(gāo)電(diàn)平信号再次回傳side1(step3)

l  side1的(de)實際信号為(wèi)外(wài)部輸入信号(step1)與side2回傳的(de)信号(step3)相(xiàng)與。因此，當外(wài)部輸入信号由低(dī)變高(gāo)時(shí)，需經過t+ t時(shí)長(cháng)的(de)V才會再變為(wèi)高(gāo)電(diàn)平信号（step4）。

III）、side2發送信号由高(gāo)電(diàn)平轉換為(wèi)低(dī)電(diàn)平

l  由外(wài)部信号向side2發送低(dī)電(diàn)平信号(step2);

l  經過隔離通(tōng)道(dào)傳播延時(shí)時(shí)長(cháng)(t), 低(dī)電(diàn)平信号傳送至side1，由于此時(shí)side1信号電(diàn)平V>V，低(dī)電(diàn)平信号不再次進行回傳(step3)。

IV）、side2發送信号由低(dī)電(diàn)平轉換為(wèi)高(gāo)電(diàn)平

l  由外(wài)部信号向side2發送低(dī)電(diàn)平信号(step2);

l  經過隔離通(tōng)道(dào)傳播延時(shí)時(shí)長(cháng)(t), side1的(de)狀态由外(wài)部上(shàng)拉電(diàn)阻拉高(gāo)至高(gāo)電(diàn)平狀态(step3)

圖6 信号傳輸過程

NSi810x VS.傳統光(guāng)耦IIC隔離電(diàn)路(lù)

圖7左側為(wèi)使用4個(gè)光(guāng)耦芯片及複雜(zá)的(de)外(wài)圍電(diàn)路(lù)搭建的(de)IIC端口隔離電(diàn)路(lù)，其所需器(qì)件(jiàn)産生(shēng)的(de)成本、電(diàn)路(lù)的(de)複雜(zá)度及PCB空間(jiān)的(de)增加都(dōu)将大大限制IIC的(de)隔離應用。相(xiàng)比之下(xià)， NSi810x僅需單顆芯片及用于電(diàn)源的(de)旁路(lù)電(diàn)容即可實現(xiàn)IIC接口隔離。

 圖7 傳統光(guāng)耦IIC隔離電(diàn)路(lù)

除此之外(wài)，NSi810x系列芯片的(de)各項功能指标也遠(yuǎn)優于光(guāng)耦隔離電(diàn)路(lù)（如表1所示）

總結

    目前針對(duì)市(shì)面上(shàng)不同的(de)應用電(diàn)路(lù)雖然有(yǒu)多種實現(xiàn)IIC系統隔離的(de)方法，但(dàn)NSi810x系列集成隔離IIC器(qì)件(jiàn)可實現(xiàn)将SDA與SCL雙路(lù)IIC隔離及其外(wài)部電(diàn)路(lù)集成在同一個(gè)芯片內(nèi)，使得IIC隔離應用電(diàn)路(lù)更加簡單，且具有(yǒu)速度快、隔離電(diàn)壓高(gāo)、抗共模能力強、可靠性高(gāo)等優點。此外(wài)，NSi810x系列芯片腳對(duì)腳兼容目前市(shì)面上(shàng)已有(yǒu)的(de)IIC隔離器(qì)件(jiàn)，可幫助工(gōng)程師(shī)以更低(dī)的(de)成本實現(xiàn)高(gāo)性能的(de)IIC系統隔離功能。