【導(dǎo)讀】IIC總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于設(shè)備或模塊間的連接。在某些數(shù)據(jù)采集和電源控制設(shè)備中，必須把IIC主設(shè)備與一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備隔離開(kāi)來(lái)，以便解決噪聲、接地、安全等問(wèn)題。本文主要介紹如何利用納芯微電子(NOVOSENSE)生產(chǎn)的NSi810x系列芯片高效快速的實(shí)現(xiàn)IIC設(shè)備隔離。
首先我們先來(lái)了解下NSi810x系列芯片。NSi810x系列芯片為兼容IIC接口的高可靠性雙向數(shù)字隔離器，其符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，具有高電磁抗擾度和低輻射的特性。NSi810x系列產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)如下：
● 高達(dá)5000VRMS隔離電壓
● I2C時(shí)鐘速率：高達(dá)2MHz
● 供電電壓范圍：2.5V~5.5V
● 高CMTI:150kV/us
● 芯片級(jí)ESD:HBM高達(dá)±6kV
● 高系統(tǒng)級(jí)EMC性能：增強(qiáng)型系統(tǒng)級(jí)抗ESD、EFT、浪涌能力
● 隔離帶壽命：>60年
NSi810x系列均包含窄體SOIC8及寬體SOIC16兩種封裝形式，各型號(hào)功能框圖如下：
圖1 NSi8100/01窄體SOIC8封裝圖
圖2 NSi8100/1寬體SOIC-16封裝圖
NSi810x系列典型應(yīng)用電路
NSi810x系列產(chǎn)品外圍電路簡(jiǎn)單，只需要雙端電源供電及在IIC通信引腳連接上拉電阻滿足芯片的開(kāi)漏驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)IIC總線的隔離（如圖3）。那么，如何選取合適的上拉電阻，是該類應(yīng)用電路的關(guān)鍵。
圖3 隔離IIC外圍電路
分析上拉電阻對(duì)隔離電路的影響時(shí)，需要考慮兩種情況。第一種情況是當(dāng)SDA1傳向SDA2的信號(hào)由高電平轉(zhuǎn)換為低電平時(shí)（如圖3），必須保證NSi810x的輸出驅(qū)動(dòng)能力IO大于外部上拉電路的上拉能力IPU2，SDA2的狀態(tài)才能跟隨輸入狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化。
選取最大供電電壓5.5V的情況, RPU2應(yīng)滿足如下條件：
當(dāng)IPU2<IO時(shí)，side2輸出隨輸入變化為低電平狀態(tài)，此時(shí)，端口信號(hào)的下降時(shí)間t保持約10ns固定狀態(tài)，與負(fù)載電容的大小幾乎無(wú)關(guān)。
第二種情況是當(dāng)SDA1傳向SDA2的信號(hào)由低電平轉(zhuǎn)換為高電平時(shí)，由于NSi810x系列的開(kāi)漏驅(qū)動(dòng)特性，SDA2的狀態(tài)由外部上拉電路決定。此外，由于電路中對(duì)地負(fù)載電容與上拉電組的RC電路的充電效應(yīng)，使得side2輸出恢復(fù)高電平的時(shí)間（tPLH12）與除了與隔離電路傳播延時(shí)（tLH12）有關(guān)，還與該RC電路的充放電時(shí)間有關(guān)（tRC）,即
在相同的負(fù)載電容情況下，上拉電阻越大，tRC 就越大，導(dǎo)致輸出上升時(shí)間就越長(zhǎng)。又由于其下降時(shí)間不隨RC的大小發(fā)生變化，因此，過(guò)大的上拉電阻可能會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)的占空比發(fā)生改變。當(dāng)信號(hào)速率越高，信號(hào)鏈越長(zhǎng)，該狀況引起的危害越大。
由SDA2向SDA1發(fā)送信號(hào)時(shí)的狀況與此類似，在此不進(jìn)行贅述。
圖4 隔離IIC信號(hào)傳輸波形
由上述可知，在滿足芯片能夠正常工作的前提下，從信號(hào)完整性的角度來(lái)說(shuō)，上拉電阻的阻值取得越小越好。但在系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用中，我們還需要更全面的考慮其帶來(lái)的影響。當(dāng)我們選取的上拉電阻阻值越小，信號(hào)端被驅(qū)動(dòng)低電平狀態(tài)時(shí)，該電阻在系統(tǒng)中消耗的功耗就越大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，我們應(yīng)該在滿足信號(hào)有效傳輸?shù)那疤嵯?，選取最大的上拉電阻以減小功耗。
NSi810x系列實(shí)現(xiàn)防閂鎖雙向通信的原理
圖5低電平閂鎖電路等效圖
一個(gè)雙向傳輸?shù)母綦x通道可利用兩個(gè)反向傳輸?shù)臄?shù)字隔離通道組成。然而，如果單純的將兩個(gè)反向通道相連，那么任何一端的總線狀態(tài)會(huì)由外界輸入和另一端的傳輸信號(hào)相與得到。當(dāng)有一端外界輸入低電平信號(hào)時(shí)，總線狀態(tài)將會(huì)鎖死為低電平狀態(tài)而無(wú)法釋放，其等效電路狀態(tài)如圖5所示。
為了解決這種問(wèn)題，NSi810x在side1端增加內(nèi)部偏置電路，當(dāng)side2發(fā)送低電平信號(hào)至side1時(shí)，該電路將低電平信號(hào)拉高至VOL1，對(duì)通常的COMS或TTL電平來(lái)說(shuō)，該電壓還是被判定為低電平，但對(duì)于NSi810x芯片來(lái)說(shuō)，VOL1在side1端作為輸入則會(huì)被識(shí)別為高電平傳輸?shù)絪ide2，從而起到了解除低電平閂鎖的目的。
以下是side1端發(fā)送信號(hào)電平轉(zhuǎn)換的幾種情況：
I）、side1發(fā)送信號(hào)由高電平轉(zhuǎn)換為低電平
● 由外部信號(hào)向side1發(fā)送低電平信號(hào)（step1）
● 經(jīng)過(guò)隔離通道的傳播延時(shí)時(shí)長(zhǎng)(tPHL12)，低電平信號(hào)傳送至side2（step2）;
● 再經(jīng)過(guò)隔離通道傳播延時(shí)時(shí)長(zhǎng)(tPHL21)，side2的低電平信號(hào)再次回傳至side1(step3)
● side1的實(shí)際信號(hào)為外部輸入信號(hào)(step1)與side2回傳的信號(hào)(step3)相與。因此，在外部輸入信號(hào)由高變低時(shí)，實(shí)際信號(hào)由高變低（step4）。
II）、side1發(fā)送信號(hào)由低電平轉(zhuǎn)換為高電平
● 由外部信號(hào)向side1發(fā)送高電平信號(hào)(step1);
● 經(jīng)過(guò)隔離通道的傳播延時(shí)時(shí)長(zhǎng)(tPLH12), side2端狀態(tài)由上拉電阻拉高(step2);
● 再經(jīng)過(guò)隔離通道傳播延時(shí)時(shí)長(zhǎng)(tPLH21),side2的高電平信號(hào)再次回傳side1(step3)
● side1的實(shí)際信號(hào)為外部輸入信號(hào)(step1)與side2回傳的信號(hào)(step3)相與。因此，當(dāng)外部輸入信號(hào)由低變高時(shí)，需經(jīng)過(guò)tPLH12+ tPLH21時(shí)長(zhǎng)的VOL1,才會(huì)再變?yōu)楦唠娖叫盘?hào)（step4）。
III）、side2發(fā)送信號(hào)由高電平轉(zhuǎn)換為低電平
● 由外部信號(hào)向side2發(fā)送低電平信號(hào)(step2);
● 經(jīng)過(guò)隔離通道傳播延時(shí)時(shí)長(zhǎng)(tPHL21), 低電平信號(hào)傳送至side1，由于此時(shí)side1信號(hào)電平VOL1>VIH1，低電平信號(hào)不再次進(jìn)行回傳(step3)。
IV）、side2發(fā)送信號(hào)由低電平轉(zhuǎn)換為高電平
● 由外部信號(hào)向side2發(fā)送低電平信號(hào)(step2);
● 經(jīng)過(guò)隔離通道傳播延時(shí)時(shí)長(zhǎng)(tPLH21), side1的狀態(tài)由外部上拉電阻拉高至高電平狀態(tài)(step3)
圖6 信號(hào)傳輸過(guò)程
NSi810x VS.傳統(tǒng)光耦I(lǐng)IC隔離電路
圖7左側(cè)為使用4個(gè)光耦芯片及復(fù)雜的外圍電路搭建的IIC端口隔離電路，其所需器件產(chǎn)生的成本、電路的復(fù)雜度及PCB空間的增加都將大大限制IIC的隔離應(yīng)用。相比之下， NSi810x僅需單顆芯片及用于電源的旁路電容即可實(shí)現(xiàn)IIC接口隔離。
圖7 傳統(tǒng)光耦I(lǐng)IC隔離電路
除此之外，NSi810x系列芯片的各項(xiàng)功能指標(biāo)也遠(yuǎn)優(yōu)于光耦隔離電路（如表1所示）
表1 傳統(tǒng)光耦與NSi810x性能比較
總結(jié)
目前針對(duì)市面上不同的應(yīng)用電路雖然有多種實(shí)現(xiàn)IIC系統(tǒng)隔離的方法，但NSi810x系列集成隔離IIC器件可實(shí)現(xiàn)將SDA與SCL雙路IIC隔離及其外部電路集成在同一個(gè)芯片內(nèi)，使得IIC隔離應(yīng)用電路更加簡(jiǎn)單，且具有速度快、隔離電壓高、抗共模能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。此外，NSi810x系列芯片腳對(duì)腳兼容目前市面上已有的IIC隔離器件，可幫助工程師以更低的成本實(shí)現(xiàn)高性能的IIC系統(tǒng)隔離功能。
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