前言

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，I2C總線因其簡易性和靈活的主從通信機(jī)制，成為最通用的設(shè)備管理總線之一。然而，隨著工業(yè)自動化、服務(wù)器、通信設(shè)備等場景的系統(tǒng)復(fù)雜度提升，多設(shè)備互聯(lián)、長距離走線以及熱插拔需求帶來的負(fù)載過重及信號完整性等挑戰(zhàn)，讓工程師們頭疼不已。


一為什么需要I2C總線緩沖器

I2C總線（集成電路總線）采用漏極開路結(jié)構(gòu)，只需SDA（串行數(shù)據(jù)線）和SCL（串行時鐘線）兩根線就能掛載多個設(shè)備，通過上拉電阻實(shí)現(xiàn)信號傳輸。雖然設(shè)計簡單，卻也存在先天限制：總線電容負(fù)載不能過大。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)I2C規(guī)范，允許的最大負(fù)載電容通常為400pF，但在實(shí)際工程設(shè)計中，每一段PCB 走線、每一個器件引腳、每一條連接線纜都會引入寄生電容。當(dāng)總線上掛載的設(shè)備過多、傳輸距離過長時，總線總電容極易突破400pF的上限，將會導(dǎo)致信號上升沿變緩，無法在規(guī)定時序內(nèi)越過邏輯閾值，最終引發(fā)波形失真、通信誤碼、設(shè)備失聯(lián)等故障。

除此之外，還有熱插拔需求帶來的硬件與通信風(fēng)險。在服務(wù)器、電信設(shè)備等高可靠性要求的應(yīng)用中，功能板卡常需要在系統(tǒng)帶電狀態(tài)下插入與拔出維護(hù)。而帶電插卡的瞬間，相當(dāng)于將一個巨大電容瞬間接入總線，會產(chǎn)生極大沖擊電流，輕則數(shù)據(jù)錯亂，重則燒毀芯片引腳。

而解決上述的問題，則是I2C總線緩沖器的價值所在：它在不改變通信協(xié)議的前提下，在物理上將總線分割成多個段，實(shí)現(xiàn)電容隔離、信號再生、電平轉(zhuǎn)換等功能，同時為熱插拔應(yīng)用提供關(guān)鍵保護(hù)，可提升I2C總線的驅(qū)動能力和通信穩(wěn)定性，從而允許更多、更遠(yuǎn)的設(shè)備掛在同一條總線上。

二NCA9511：可熱插拔的I2C緩沖器

NCA9511是納芯微推出的高集成度可熱插拔的I2C總線緩沖器，專為解決帶電背板插卡問題而設(shè)計。芯片通過內(nèi)置控制電路，僅在背板側(cè)出現(xiàn)停止命令或總線空閑狀態(tài)、且板卡側(cè)無總線競爭時，才連通背板與板卡側(cè)的I2C總線；連通后提供雙向緩沖能力，實(shí)現(xiàn)背板與板卡側(cè)總線電容的電氣隔離。芯片支持EN引腳關(guān)斷控制，降低功耗，同時通過開漏READY引腳輸出總線連接狀態(tài)，廣泛適配服務(wù)器、電信設(shè)備、工業(yè)自動化等場景。

關(guān)鍵特性：

雙向數(shù)據(jù)傳輸：完整支持I2C總線信號雙向傳輸，無需額外協(xié)議適配；

寬工作電壓：電源電壓范圍2.7V至5.5V，可兼容3.3V的MCU系統(tǒng)、5V的傳統(tǒng)傳感器等常見電源軌；

寬溫度范圍：-40℃至105℃環(huán)境工作溫度，適配戶外場景；

協(xié)議支持：兼容標(biāo)準(zhǔn)模式（100kHz）和快速模式（400kHz）I2C設(shè)備；

斷電保護(hù)：VCC掉電時所有I2C引腳自動呈高阻抗，不干擾總線；

可關(guān)斷模式：總線空閑時可將EN引腳置低，進(jìn)入關(guān)斷模式，功耗降至0.1uA，降低系統(tǒng)功耗；

多種封裝：提供SOP-8和MSOP-8兩種符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的封裝選項(xiàng)，適配不同尺寸設(shè)計要求。

功能框圖

三核心特性解析

1、1V-預(yù)充電保護(hù)：NCA9511所有的SDA和SCL引腳均內(nèi)置1V預(yù)充電電路。在板卡插入瞬間，芯片會通過內(nèi)部100kΩ電阻在總線連通前將引腳預(yù)充電至1V，讓引腳電壓在接觸前就接近總線空閑電壓，大幅降低熱插拔時寄生電容充電導(dǎo)致的電壓突變，避免因瞬間電流沖擊損壞主線，保護(hù)I/O引腳安全。

2、智能連接控制：為防止背板側(cè)I2C線（輸入）直接連接到卡側(cè)I2C線（輸出），控制電路會持續(xù)監(jiān)視總線狀態(tài)，并設(shè)置了準(zhǔn)入條件：只有在背板側(cè)檢測到停止命令或總線進(jìn)入空閑狀態(tài)，且SDAOUT和SCLOUT均為高電平、卡側(cè)無爭用時，NCA9511才會閉合內(nèi)部開關(guān)，將背板側(cè)和卡板側(cè)連通，避免了在總線繁忙時強(qiáng)行連接導(dǎo)致的數(shù)據(jù)沖突。

3、雙向緩沖隔離：NCA9511內(nèi)置雙向緩沖器，建立連接后，可提供雙向緩沖，不僅實(shí)現(xiàn)了背板側(cè)與板卡側(cè)I2C信號的雙向透明傳輸，還能全過程保持背板和卡的電容分離。即使卡側(cè)電容高達(dá)1000pF，背板側(cè)看到的依然只是緩沖器引腳的小電容，從根源上緩解多設(shè)備掛載導(dǎo)致的電容超標(biāo)問題，保證主總線信號質(zhì)量，提升I2C總線的帶載能力與傳輸穩(wěn)定性。

同時，緩沖器通過電平偏移設(shè)計（典型偏移130mV）避免總線鎖死，完整支持I2C的時鐘拉伸、仲裁、同步等核心協(xié)議。

4、上升時間加速器（RTA）：NCA9511所有I2C引腳均內(nèi)置上升時間加速器，在總線正跳變時開啟5mA電流源，加速總線電平上拉過程。該特性允許使用更大阻值的上拉電阻，同時保證I2C快速模式的上升沿時序要求。

5、狀態(tài)指示：NAC9511包含一個漏極開路的READY輸出引腳，當(dāng)READY為高電平時，表示SDAIN和SCLIN已成功連接到SDAOUT和SCLOUT；為低電平時表示兩側(cè)斷開。可讓系統(tǒng)清晰掌握總線連接狀態(tài)。

四

典型應(yīng)用場景

NCA9511可廣泛應(yīng)用于需要高可靠性和熱插拔支持的領(lǐng)域：

服務(wù)器：用于主板和熱插拔硬盤背板；

工業(yè)自動化設(shè)備：可插拔IO模塊、現(xiàn)場總線網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計，支持現(xiàn)場維護(hù)；

電信交換設(shè)備：在核心路由器、基站等設(shè)備中，板卡熱插拔是常態(tài)，NCA9511支持板卡帶電插拔維護(hù)；

企業(yè)交換機(jī)：保障網(wǎng)絡(luò)設(shè)備持續(xù)運(yùn)行；

多電壓域系統(tǒng)：當(dāng)主控MCU工作在1.8V，而傳感器需要5V供電時，NCA9511本身不直接做電平轉(zhuǎn)換，但它可以與電平轉(zhuǎn)換芯片協(xié)同工作，在實(shí)現(xiàn)電壓匹配的同時提供熱插拔保護(hù)。

五

納芯微NCA9xxx系列I2C接口解決方案

NCA9511是納芯微NCA9xxx I2C接口產(chǎn)品家族的重要成員。該系列還包括I/O擴(kuò)展器NCA9555B、多路復(fù)用器NCA9548、雙路雙向緩沖器NCA9617A以及電平轉(zhuǎn)換器NCA9306，為工程師提供一站式的I2C總線設(shè)計解決方案。

1、NCA9555B：一款24引腳CMOS器件，提供16位通用并行I2C總線數(shù)輸入/輸出GPIO擴(kuò)展功能?？蔀?a target="_blank">ACPI電源開關(guān)、傳感器、按鍵、LED和風(fēng)扇等應(yīng)用的額外I/O口需求提供簡單的解決方案。

產(chǎn)品特性：

工作電源電壓范圍：1.65V至5.5V；

I2C到并行端口擴(kuò)展器；

極性反轉(zhuǎn)寄存器；

開漏電路低電平有效中斷輸出；

兼容大多數(shù)MCU；

16個I/O引腳，默認(rèn)為16個輸入；

低待機(jī)電流：0.2uA；

ESD保護(hù)性能：2000V（HBM）；1000V(CDM)，超出JESD22標(biāo)準(zhǔn)；

3個地址引腳，支持8個不同地址；

0~400kHz時鐘頻率；

閂鎖性能超過100mA；

工作溫度：-40℃~125℃；

封裝：TSSOP24，符合RoHS。

2、NCA9548：一款通過I2C總線控制的八路雙向轉(zhuǎn)換開關(guān)，SCL/SDA上行數(shù)據(jù)分散到八對下行數(shù)據(jù)或通道?？梢赃x擇任何單個SCN/SDN通道或通道組合，具體取決于可編程控制寄存器的內(nèi)容。

產(chǎn)品特性：

8選1雙向轉(zhuǎn)換開關(guān)；

兼容I2C總線和SMBus；

低電平有效復(fù)位輸入；

3個地址終端，在I2C總線上最多允許8個設(shè)備；

通過I2C總線進(jìn)行通道選擇，任意組合；

允許在1.8V，2.5V，3.3V和5V總線之間進(jìn)行電壓電平轉(zhuǎn)換；

1.65 V至5.5 V的工作電源電壓范圍；

5.5 V耐壓輸入；

0至400kHz時鐘頻率；

閂鎖性能超過100mA，符合JESD78 II類規(guī)范

ESD保護(hù)性能：2000V(HBM)；1000V(CDM)；

工作溫度：-40℃~105℃；

封裝：TSSOP-24，符合RoHS。

3、NCA9617A：一款專門用于I2C總線和SMBus系統(tǒng)的BiCMOS雙路雙向緩沖器，可在混合應(yīng)用中提供低電壓和較高電壓間的雙向電壓水平轉(zhuǎn)換(上行轉(zhuǎn)換模式和下行轉(zhuǎn)換模式)。電平轉(zhuǎn)換期間，在不損失系統(tǒng)性能的情況下，器件可擴(kuò)展I2C和相似的總線系統(tǒng)。

產(chǎn)品特性:

雙通道雙向I2C緩沖器；

支持標(biāo)準(zhǔn)模式，快速模式(400kHz)和快速模式+(1MHz)；

I2C操作從0.8V至5.5V和2.5V至5.5V的電壓電平轉(zhuǎn)換；

漏極開路I2C I/O；

器件上支持時鐘伸展和多主仲裁；

閂鎖性能超過100mA，符合JESD78 II類規(guī)范；

ESD保護(hù)性能：5500V(HBM)；1500V(CDM)；

工作溫度：-40℃~105℃；

封裝：MSOP-8，符合RoHS。

4、NCA9306：一款采用使能(EN)輸入的雙路雙向I2C和SMBus電壓電平轉(zhuǎn)換器，可以在1.2V到5V之間實(shí)現(xiàn)雙向電壓轉(zhuǎn)換而無須使用方向引腳。同時，具有低導(dǎo)通狀態(tài)電阻(RON)，可以在最短傳播延遲情況下建立連接。除了電壓轉(zhuǎn)換，NCA9306器件還可用于將400kHz總線與100kHz總線隔離開，方法是在快速模式通信過程中控制EN引腳以斷開較慢總線的連接。

產(chǎn)品特性：

適用于I2C應(yīng)用中的SDA和SCL線路的2位雙向轉(zhuǎn)換器；

與I2C和系統(tǒng)管理總線(SMBus)兼容；

可以實(shí)現(xiàn)以下電壓之間的電平轉(zhuǎn)換：1.2V VREF1和1.8V、2.5V、3.3V或5V VREF2；1.8V VREF1和2.5V、3.3V或5V VREF2；2.5V VREF1和3.3V或5V VREF2；3.3V VREF1和5V VREF2；

在無方向引腳的情況下提供雙向電壓轉(zhuǎn)換；

漏極開路I2C I/O端口(SCL1, SDA1, SCL2和SDA2)；

閂鎖性能超過100mA，符合JESD78 II類規(guī)范；

ESD保護(hù)性能：2000V(HBM)；1000V(CDM)；

工作溫度：-40℃~105℃；

封裝：VSSOP-8；TSSOP-8，均符合RoHS。

納芯微首席執(zhí)行官王升楊表示：“NCA9xxx系列I2C接口產(chǎn)品滿足工業(yè)級溫度要求，兼容市面大部分MCU的接口電平，完全滿足系統(tǒng)開發(fā)中對I2C總線的功能與性能需求。該系列產(chǎn)品從設(shè)計、制造到封裝全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，確保供應(yīng)的安全與可靠。”

六

結(jié)語

在工業(yè)互聯(lián)與智能化的發(fā)展趨勢下，I2C總線應(yīng)用的熱插拔保護(hù)和信號完整性是不可回避的挑戰(zhàn)。納芯微NCA9511以1V預(yù)充電保護(hù)、智能連接控制、雙向緩沖隔離三大核心機(jī)制，為服務(wù)器、電信設(shè)備、工業(yè)自動化等應(yīng)用提供了可靠保障。如果你正在設(shè)計需要支持帶電插拔的I2C系統(tǒng)，NCA9511值得納入選型視野。