淺談I2C隔離器的六大設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

作者：德州儀器Anthony Viviano

我們整理了一些關(guān)于隔離I2C設(shè)計(jì)的FAQ，供您參考。這些見解是根據(jù)德州儀器在線支持社區(qū)中有關(guān)I2C隔離器的常見問(wèn)題而提供的。希望這些信息能夠幫助工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中解決信號(hào)和電源隔離的問(wèn)題。

1.什么情況下需要隔離I2C？

隔離可防止系統(tǒng)兩個(gè)部分之間的直流電和異常的交流電，但仍然支持兩個(gè)部分之間的信號(hào)和電源傳輸。隔離通常能夠阻止電氣組件或人員遭受危險(xiǎn)電壓和電流浪涌的傷害；用于保護(hù)人員的隔離稱為增強(qiáng)型隔離。I2C已成為許多系統(tǒng)中流行的全球標(biāo)準(zhǔn)；因此，隔離I2C已經(jīng)擴(kuò)散到大多數(shù)高壓市場(chǎng)。

常見的隔離I2C應(yīng)用包括：

網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器電源中的微控制器（MCU）到MCU通信。
汽車電池管理系統(tǒng)和醫(yī)療系統(tǒng)中MCU到模數(shù)轉(zhuǎn)換器通信。
以太網(wǎng)供電系統(tǒng)中的MCU到供電設(shè)備控制器通信。
MCU與電流/電源監(jiān)控系統(tǒng)的通信。

2.是否可以在數(shù)字隔離器上連接兩個(gè)單向信道，以實(shí)現(xiàn)I2C通信的雙向信道？

不可以，連接兩個(gè)相反方向的單向信道不會(huì)產(chǎn)生雙向信道。如果用數(shù)字隔離器替換隔離I2C器件，數(shù)字隔離器將閂鎖到單一狀態(tài)并變得無(wú)響應(yīng)。使用數(shù)字隔離器實(shí)現(xiàn)隔離I2C總線需要外部組件。有關(guān)如何使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器實(shí)現(xiàn)隔離I2C的更多信息，請(qǐng)參閱模擬設(shè)計(jì)期刊文章“使用數(shù)字隔離器設(shè)計(jì)增強(qiáng)型隔離I2C總線接口?！贝送?，E2E社區(qū)隔離論壇主題中更詳細(xì)地說(shuō)明了為什么數(shù)字隔離器在雙向I2C應(yīng)用中無(wú)外部組件的情況下將閂鎖到單一狀態(tài)。

3.ISO1540和ISO1541隔離I2C器件的電流消耗是多少？

ISO154x數(shù)據(jù)手冊(cè)中的表6.10列出了不帶任何上拉電阻的ISO1540和ISO1541的電流消耗。添加上拉電阻時(shí)，電阻會(huì)消耗額外的電流。例如，在SDA2/SCL2處向器件添加1kΩ的上拉電阻，在SDA1/SCL1處添加10kΩ的上拉電阻，VCC1 = VCC2 = 5 V時(shí)，上拉電阻消耗的額外電流將對(duì)于SDA1/SCL1為約為5mA，對(duì)于SDA2/SCL2約為0.5 mA。

對(duì)于需要更低功耗的隔離I2C應(yīng)用，超低功耗ISO7041可以替代ISO7731器件，如模擬設(shè)計(jì)期刊文章中第2個(gè)問(wèn)題所述。ISO70xx的功耗將比ISO77xx器件提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。

4.建議什么邏輯高低輸入電壓電平應(yīng)用于ISO1540和ISO1541隔離I2C器件？

表1列出了ISO1540 and ISO1541器件1側(cè)和2側(cè)輸入的推薦邏輯輸入電壓電平。

表1：ISO154x輸入電壓電平

這些輸入電壓電平適用于I2C數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)。欲了解更多信息，請(qǐng)參閱ISO154x數(shù)據(jù)表中的表6.3。

5.為什么ISO1540和ISO1541雙向I2C隔離器的1側(cè)上的邏輯低電平輸出電壓VOL1高達(dá)0.8 V？

為了實(shí)現(xiàn)隔離I2C器件的雙向功能，器件需要設(shè)計(jì)有兩個(gè)背靠背連接的單向信道，以實(shí)現(xiàn)單個(gè)雙向信道。直接連接兩個(gè)單向信道會(huì)導(dǎo)致鎖定情況，兩個(gè)信道都是低電平。為避免這種情況，1側(cè)輸出端的二極管使1側(cè)輸出信道的低電平輸出看起來(lái)像1側(cè)輸入信道的高電平。圖1顯示了二極管的位置。

圖1：ISO154x簡(jiǎn)化原理圖

由于該二極管，VOL1的電壓最高可達(dá)0.8 V.當(dāng)2側(cè)檢測(cè)到2側(cè)為低電平時(shí)，1側(cè)將打開場(chǎng)效應(yīng)晶體管，使二極管導(dǎo)通，產(chǎn)生非零正向電壓。ISO154x器件中的閾值經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可確保雙向信道平穩(wěn)運(yùn)行 - 只要VOL和VIL規(guī)范符合ISO154x數(shù)據(jù)表中表6.9.所示的ISO154x器件閾值即可。這種方法已成為業(yè)界用于實(shí)現(xiàn)雙向I2C功能的常見做法。低邏輯電平的非零電壓仍將與I2C規(guī)范兼容。

請(qǐng)注意，這僅適用于VOL1。由于器件的2側(cè)不需要二極管，因此VOL2最大值為0.4 V，這在大多數(shù)數(shù)字隔離器中很常見。

6.如何為I2C隔離器構(gòu)造隔離型電源？

為I2C隔離器構(gòu)造隔離型電源有幾種可選的方法；最佳解決方案須視具體的應(yīng)用需要而定。

一個(gè)選擇是使用 SN6501這樣的變壓器驅(qū)動(dòng)器，此種驅(qū)動(dòng)器可用于具有次級(jí)側(cè)變壓器和可選整流低壓差穩(wěn)壓器的推挽式配置（圖 2）。SN6501的功率高達(dá)1.5 W，可作為隔離型電源。此設(shè)備具有高度靈活性，幾乎可用在所有應(yīng)用中。這是因?yàn)樽儔浩骱驮褦?shù)比能為電源提供必要的隔離等級(jí)和輸出電壓。如果您需要為其他設(shè)備提供隔離電源，則可使用SN6505而不是SN6501，獲得高達(dá)5 W的輸出功率。SN6505具有額外的保護(hù)特性，例如過(guò)載和短路、熱關(guān)斷、軟啟動(dòng)和壓擺率控制等，方便設(shè)計(jì)人員構(gòu)筑穩(wěn)健的解決方案。

圖2：采用ISO1541的信號(hào)和電源隔離I2C解決方案

另一個(gè)針對(duì)空間受限應(yīng)用的可選方法是ISOW78xx系列器件，該系列可在小外形集成電路16引腳封裝中提供信號(hào)和電源隔離特性。ISOW7842還可以與外部組件結(jié)合使用。圖3提供了具有雙向數(shù)據(jù)和單向時(shí)鐘的系統(tǒng)解決方案示例，當(dāng)使用一些額外組件進(jìn)行修改時(shí)，可以支持雙向數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)。