SGM4551B：雙路雙向I2C總線和SMBus電壓電平轉(zhuǎn)換器的深度剖析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，I2C總線和SMBus的應(yīng)用極為廣泛，而電壓電平轉(zhuǎn)換在其中起著關(guān)鍵作用。SGM4551B作為一款雙路雙向I2C總線和SMBus電壓電平轉(zhuǎn)換器，為工程師們提供了強(qiáng)大而靈活的解決方案。今天，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品概述

SGM4551B是一款具有使能（EN）功能的2位、SMBus、雙路、雙向I2C電壓轉(zhuǎn)換器。其典型的工作電壓范圍為：(V{REF1}) 從1.2V到3.3V，(V{REF2}) 從1.8V到5V，信號能夠在1.2V到5V之間雙向傳輸。由于其低導(dǎo)通電阻，傳播延遲非常小。當(dāng)EN引腳處于高電平時(shí)，電壓轉(zhuǎn)換器處于透明狀態(tài)，允許SCL1和SCL2、SDA1和SDA2分別連接，且傳輸方向?yàn)殡p向；而當(dāng)EN引腳處于低電平時(shí)，由于此時(shí)的高阻抗特性，傳輸將暫停。

二、產(chǎn)品特性

（一）雙向I2C轉(zhuǎn)換

支持I2C和SMBus兼容，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向信號傳輸，為不同電壓域之間的通信提供了便利。

（二）低傳播延遲

傳播延遲小于5.5ns，確保信號能夠快速準(zhǔn)確地傳輸，滿足高速通信的需求。

（三）可接受的電壓參考

提供多種電壓參考組合，如1.2V (V{REF1}) 和1.8V、2.5V、3.3V或5V (V{REF2}) 等，適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

（四）低導(dǎo)通電阻

典型值為3.5Ω，減少了信號傳輸過程中的損耗，提高了信號質(zhì)量。

（五）GPIO端口與I2C開漏邏輯

SCL1、SDA1、SCL2和SDA2為GPIO端口，支持I2C開漏邏輯，方便與其他設(shè)備連接。

（六）混合模式信號支持

I/O端口支持5V容限的混合模式信號，增強(qiáng)了產(chǎn)品的兼容性。

（七）高阻抗模式

當(dāng)EN為低電平時(shí)，SGM4551B處于高阻抗模式，實(shí)現(xiàn)隔離功能。

（八）無鎖定操作

在EN為低電平時(shí)，具有無鎖定操作的特性，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（九）引腳布局優(yōu)勢

內(nèi)部材料的引腳布局有利于PCB布局，方便工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（十）多種封裝形式

提供綠色SOT - 23 - 8和VSSOP - 8封裝，滿足不同的安裝需求。

三、電氣特性

（一）電壓范圍

輸入/輸出電壓VI/O、參考電壓(V{REF1}) 和(V{REF2}) 以及使能輸入電壓(V_{EN}) 的范圍均為0 - 5V。

（二）電流參數(shù)

通過開關(guān)的電流(I{PASS}) 最大為64mA，輸入鉗位電流(I{IK}) 為 - 50mA，輸入泄漏電流(I{IH}) 為8μA，使能泄漏電流(I{EN}) 為1μA。

（三）電容參數(shù)

輸入電容(C{I(EN)}) 為15pF，關(guān)斷電容(C{IO(OFF)}) 為8pF，導(dǎo)通電容(C_{IO(ON)}) 為7pF。

（四）導(dǎo)通電阻

導(dǎo)通電阻(R{ON}) 與使能電壓(V{EN}) 和輸入電壓(V_{I}) 有關(guān)，不同條件下的導(dǎo)通電阻值有所不同。

四、開關(guān)特性

SGM4551B的開關(guān)特性包括向下轉(zhuǎn)換和向上轉(zhuǎn)換兩種情況。在不同的使能電壓和負(fù)載電容條件下，其傳播延遲時(shí)間(t{PLH}) 和(t{PHL}) 有所不同。例如，在EN = 3.3V、(C{L}) = 50pF的條件下，向下轉(zhuǎn)換時(shí)(t{PLH}) 為1.0ns，(t{PHL}) 為1.1ns；向上轉(zhuǎn)換時(shí)(t{PLH}) 為1.6ns，(t_{PHL}) 為1.2ns。

五、應(yīng)用信息

（一）I2C通用應(yīng)用

由于總線引腳的電容限制為400pF，連接到SGM4551B的設(shè)備數(shù)量會受到一定限制。但SGM4551B能夠隔離I2C總線的兩側(cè)，使得更多的I2C設(shè)備可以與之連接。它支持400kHz和100kHz兩種總線頻率，當(dāng)需要兩種頻率時(shí)，400kHz的優(yōu)先級更高。如果主設(shè)備的頻率為400kHz，由于中繼器的額外延遲，設(shè)備的工作頻率必須低于400kHz。

（二）雙向轉(zhuǎn)換

在雙向應(yīng)用中，建議將參考引腳連接到(V{REF2}) ，SCL和SDA引腳都應(yīng)通過電阻上拉。在(V{REF2}) 引腳添加旁路電容可以提高穩(wěn)定性。主設(shè)備和從設(shè)備的輸出可以是推挽或開漏結(jié)構(gòu)（開漏結(jié)構(gòu)需要上拉電阻）。如果使用推挽結(jié)構(gòu)生成輸出，SGM4551B可以單向操作或通過方向控制機(jī)制進(jìn)行控制，以防止競爭風(fēng)險(xiǎn)；對于開漏輸出結(jié)構(gòu)，不需要任何傳輸方向控制機(jī)制。

（三）上拉電阻選型

上拉電阻的作用是在輸出為高電平時(shí)將工作電流限制在15mA，此時(shí)通過電壓約為350mV。上拉電阻的計(jì)算公式為：(R{PU}=frac{V{DPU}-0.35V}{0.015A}) 。不同的(V_{REF}) 和工作電流對應(yīng)不同的上拉電阻值，建議選擇+10%的電阻值，以確保通過電壓在350mV以內(nèi)。

（四）帶寬

SGM4551B支持不同的頻率應(yīng)用，能夠在頻率大于50MHz的條件下工作。其帶寬受導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通電容的影響，-3dB點(diǎn)的轉(zhuǎn)折頻率為250MHz。對于數(shù)字應(yīng)用，輸入信號的前五次諧波不應(yīng)被設(shè)備衰減，因此最大帶寬應(yīng)是輸入數(shù)字信號的五倍。由于SGM4551B的轉(zhuǎn)折頻率約為250MHz，所以它能夠支持頻率為50MHz的數(shù)字信號。

六、提高性能的建議

（一）縮短距離

在PCB設(shè)計(jì)中，盡量縮短處理器與SGM4551B之間的距離，減少走線長度，以降低信號傳輸?shù)难舆t和干擾。

（二）減少反射

通過減少走線長度，使其小于信號傳輸時(shí)間的一半，可以改善振鈴和反射現(xiàn)象。

（三）添加電阻

在1.8V側(cè)添加一個(gè)上拉電阻，以減少過沖現(xiàn)象。同時(shí)，SGM4551B的應(yīng)用期望具有較慢下降時(shí)間的下降沿。

七、總結(jié)

SGM4551B作為一款功能強(qiáng)大的雙路雙向I2C總線和SMBus電壓電平轉(zhuǎn)換器，具有多種特性和優(yōu)勢，適用于各種I2C和SMBus應(yīng)用場景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們可以根據(jù)具體需求選擇合適的電壓參考、上拉電阻和工作頻率，同時(shí)注意PCB布局和信號處理，以充分發(fā)揮SGM4551B的性能。大家在使用SGM4551B的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題或者有什么獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評論區(qū)分享交流。