P82B715：I2C總線擴(kuò)展的得力助手

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，I2C總線是一種常用的通信協(xié)議，但它的總線電容限制往往會(huì)影響實(shí)際通信距離和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。今天，我們就來詳細(xì)了解一下德州儀器（TI）的P82B715，一款專門用于緩沖高電容I2C總線系統(tǒng)的器件，看看它是如何解決這些問題的。

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1. 器件概述

P82B715是一款支持通過I2C總線進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骷?，它能夠緩沖I2C總線上的串行數(shù)據(jù)（SDA）和串行時(shí)鐘（SCL）信號(hào)，在保留I2C系統(tǒng)所有操作模式和特性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)I2C總線的擴(kuò)展。其工作電源電壓范圍為3V至12V，允許主I2C總線（Sx/Sy側(cè)）的總線電容為400pF，傳輸側(cè)（Lx/Ly側(cè)）的總線電容為3000pF，適用于HDMI DDC、長(zhǎng)距離I2C通信和工業(yè)通信等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

2. 關(guān)鍵特性

2.1 高電容緩沖能力

I2C總線的電容限制通常為400pF，這極大地限制了實(shí)際通信距離。P82B715通過在長(zhǎng)電纜兩端各使用一個(gè)該器件，可將系統(tǒng)總電容負(fù)載擴(kuò)展到約3000pF。具體做法是將一個(gè)P82B715器件的Lx引腳連接到另一個(gè)P82B715的Lx引腳（Ly引腳同理），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總線電容的隔離，使新總線或遠(yuǎn)程I2C節(jié)點(diǎn)的總負(fù)載對(duì)其他I2C總線（或節(jié)點(diǎn)）不可見。

2.2 單向模擬電流放大

P82B715采用單向模擬電流放大技術(shù)，增強(qiáng)了I2C芯片的電流吸收能力，將I2C總線的400pF電容規(guī)格限制提升到3nF的總線布線電容限制。這意味著我們可以使用更長(zhǎng)的電纜或低成本的通用布線來連接兩個(gè)獨(dú)立的基于I2C的系統(tǒng)，而無需擔(dān)心其他I2C總線緩沖器相關(guān)的特殊電壓電平問題。

2.3 多設(shè)備連接

多個(gè)P82B715可以通過其Lx/Ly端口以星形或多點(diǎn)架構(gòu)連接在一起，只要系統(tǒng)總電容保持在約3000pF以下（相對(duì)于任何Sx/Sy連接為400pF或更低）即可。在這種配置中，主設(shè)備和/或從設(shè)備連接到每個(gè)P82B715的Sx/Sy端口。

2.4 雙向數(shù)據(jù)傳輸

該器件支持I2C總線的雙向數(shù)據(jù)傳輸，并且無需外部方向控制，具有雙雙向單位電壓增益緩沖功能。

2.5 低阻抗總線驅(qū)動(dòng)

P82B715能夠驅(qū)動(dòng)阻抗低10倍的總線布線，提高了抗噪聲能力。同時(shí)，它還可以使用低成本的雙絞線電纜實(shí)現(xiàn)I2C信號(hào)的多點(diǎn)分布，支持通過50米的雙絞線進(jìn)行I2C總線操作。

2.6 靜電放電（ESD）保護(hù)

P82B715具有出色的ESD保護(hù)能力，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，人體模型（HBM）為±2500V，帶電設(shè)備模型（CDM）為±1000V，機(jī)器模型（MM）為+400V，有效保護(hù)器件免受靜電損壞。

3. 引腳配置與功能

4. 電氣特性與參數(shù)

4.1 絕對(duì)最大額定值

在使用P82B715時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值，超過這些值可能會(huì)對(duì)器件造成永久性損壞。具體參數(shù)可參考數(shù)據(jù)手冊(cè)。

4.2 ESD額定值

如前文所述，該器件具有良好的ESD保護(hù)能力，不同模型下的ESD額定值為我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中提供了可靠的靜電防護(hù)保障。

4.3 推薦工作條件

推薦的工作電源電壓范圍為4.5V至12V，工作環(huán)境溫度范圍為-40°C至85°C。雖然該器件在3V電壓下也能工作，但性能會(huì)有所下降，例如動(dòng)態(tài)吸收電流會(huì)減小，可能會(huì)增加下降時(shí)間。因此，對(duì)于對(duì)時(shí)序要求較高的設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮指定的最小值。

4.4 熱信息

了解器件的熱特性對(duì)于確保其在不同環(huán)境下的穩(wěn)定工作至關(guān)重要。P82B715的熱阻參數(shù)包括結(jié)到環(huán)境、結(jié)到外殼（頂部）、結(jié)到電路板等，不同封裝類型的熱阻有所差異。例如，SOIC封裝的結(jié)到環(huán)境熱阻為105.3°C/W，PDIP封裝為48.9°C/W。

4.5 電氣特性

在典型工作條件下（Vcc = 5V，TA = 25°C），P82B715的電氣特性包括靜態(tài)電源電流、輸出吸收電流、輸入電流等。例如，靜態(tài)電源電流在不同條件下的取值不同，輸出吸收電流在I2C總線和緩沖總線上也有相應(yīng)的規(guī)格要求。

4.6 開關(guān)特性

開關(guān)特性主要涉及緩沖延遲時(shí)間，在無電容負(fù)載的情況下，測(cè)量了從輸入到輸出的延遲時(shí)間。由于輸入和輸出引腳通過30Ω電阻內(nèi)部連接，Sx/Lx電壓波形中不會(huì)觀察到傳統(tǒng)的輸入 - 輸出延遲，該測(cè)試主要測(cè)量放大器響應(yīng)時(shí)間對(duì)Lx/Ly輸出（以及Sx/Sy輸入）的電壓上升或下降所造成的總線傳播延遲。

5. 應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

5.1 應(yīng)用信息

P82B715的邏輯信號(hào)電平在Sx/Lx處與電源電壓無關(guān)，它與所有邏輯信號(hào)驅(qū)動(dòng)器（包括TTL）完全兼容。在正常應(yīng)用中，需要使用外部上拉電阻將連接的總線拉高到所需的高電平，通常為電源電壓Vcc。但對(duì)于非常低的邏輯電壓，建議使用至少3.3V的Vcc，并且在4.5V以上才能確保全溫度范圍內(nèi)的性能。當(dāng)電源電壓低于4.5V時(shí)，規(guī)格會(huì)有所降低，絕對(duì)最小Vcc為3V。

5.2 典型應(yīng)用

通過使用兩個(gè)或更多的P82B715器件，可以構(gòu)建一個(gè)子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)保留了正常I2C設(shè)備的接口特性，可包含在任何I2C或相關(guān)系統(tǒng)中。該子系統(tǒng)具有低阻抗或緩沖總線，能夠驅(qū)動(dòng)大布線電容。

5.2.1 設(shè)計(jì)要求

以一個(gè)具體示例來說明，設(shè)計(jì)參數(shù)包括：電源電壓Vcc為3.3V，Lx/Ly總線上的電容CLx為3000pF，Sx/Sy總線上的上拉電阻Rpu_Sx為4.7kΩ，Lx/Ly總線上的上拉電阻Rpu_Lx為330Ω。

5.2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• I2C系統(tǒng)：與標(biāo)準(zhǔn)I2C系統(tǒng)一樣，緩沖總線上需要上拉電阻來提供邏輯高電平，因?yàn)楸Ａ袅藰?biāo)準(zhǔn)的開集電極配置。上拉電阻的大小和數(shù)量取決于系統(tǒng)。如果P82B715器件要永久連接到系統(tǒng)中，電路可以配置為在緩沖總線上只使用一個(gè)上拉電阻，而在I2C總線上不使用，但為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提高性能，建議在總線的每個(gè)部分都安裝單獨(dú)的上拉電阻。當(dāng)使用P82B715的子系統(tǒng)可能可選地連接到已經(jīng)有上拉電阻的現(xiàn)有I2C系統(tǒng)時(shí)，需要考慮子系統(tǒng)上拉電阻與現(xiàn)有I2C總線上拉電阻并聯(lián)的影響。
• 上拉電阻計(jì)算：在計(jì)算上拉電阻值時(shí)，緩沖器的增益會(huì)引入縮放因子，需要應(yīng)用到系統(tǒng)組件上。在實(shí)際系統(tǒng)中，上拉電阻值的計(jì)算是為了滿足I2C系統(tǒng)的上升時(shí)間限制。近似地，在100kHz系統(tǒng)中，如果總系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)（凈電阻和凈電容的乘積）設(shè)置為1μs或更小，則可以滿足該限制。在使用P82B715的系統(tǒng)中，可以分別考慮每個(gè)總線節(jié)點(diǎn)（即I2C節(jié)點(diǎn)和緩沖總線節(jié)點(diǎn)），為每個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇單獨(dú)的上拉電阻，以提供小于1μs的時(shí)間常數(shù)。如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都滿足要求，則系統(tǒng)要求也能得到滿足。每個(gè)總線部分的上拉電阻計(jì)算公式為：$R = 1μs / (C{device} + C{wiring})$，其中$C{device}$為所有連接設(shè)備電容的總和，$C{wiring}$為總線上的布線和雜散電容。
• 總線驅(qū)動(dòng)電流計(jì)算：以多個(gè)P82B715設(shè)備連接到公共緩沖總線的情況為例，當(dāng)一個(gè)I2C設(shè)備將SDA總線拉低時(shí)，需要吸收其本地上拉電阻中的電流，以及在P82B715的協(xié)助下，吸收其他上拉電阻中的電流。通過計(jì)算可以確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的有效上拉電阻和需要吸收的電流，同時(shí)要確保P82B715的Lx引腳靜態(tài)吸收電流不超過30mA的額定值。

5.3 應(yīng)用曲線

通過實(shí)際測(cè)量得到的應(yīng)用曲線，如在Lx/Ly上有3000pF電容且上拉電阻$R_{PU}$為330Ω時(shí)的總線電壓曲線，能夠幫助我們更好地了解系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。

6. 電源供應(yīng)與布局建議

6.1 電源供應(yīng)

P82B715的電源要求可參考推薦工作條件。雖然該器件在3V電壓下也能工作，但性能會(huì)降低，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體需求選擇合適的電源電壓。

6.2 布局指南

在進(jìn)行電路板布局時(shí)，應(yīng)遵循一般的布局最佳實(shí)踐。建議在電路板的內(nèi)層設(shè)置專用的接地平面，連接到地的引腳必須通過寬多邊形銅箔和多個(gè)過孔與接地平面形成低阻抗路徑。同時(shí)，通常使用旁路和去耦電容來控制VCC引腳的電壓，較大的電容（通常為1μF）用于在電源出現(xiàn)短時(shí)故障時(shí)提供額外的功率，較小的電容（通常為0.1μF）用于濾除高頻紋波。

7. 總結(jié)

P82B715作為一款優(yōu)秀的I2C總線擴(kuò)展器件，憑借其高電容緩沖能力、單向模擬電流放大、多設(shè)備連接等特性，為我們?cè)陂L(zhǎng)距離I2C通信和高電容總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提供了可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理選擇器件的工作條件、上拉電阻等參數(shù)，并注意電路板的布局和電源供應(yīng)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。希望本文能為電子工程師們?cè)谑褂肞82B715進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有益的參考。你在使用P82B715的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。