I2C接口隔離調試的注意事項

1．引言

I2C總線是20世紀80年代早期由飛利浦公司開發(fā)的一種多主模式，半雙工，雙向雙線制串行總線。該總線適用于短距離多板之間的。出于對電路系統(tǒng)可靠性和終端設備安全方面的考慮，I2C總線接口的隔離顯得尤為重要。

I2C總線接口隔離的難點在于I2C接口的雙向性。目前I2C接口隔離大多通過高速光耦及外圍器件實現(xiàn)。但是一個完整的I2C接口需要4個光耦，這增加了隔離方案的成本及電路系統(tǒng)復雜性，同時光耦存在功耗高，延時長及溫漂等缺點。因此，通過光耦實現(xiàn)I2C接口隔離，并不是一個好的選擇。

本文簡要介紹了I2C總線物理層的通訊原理，重點討論了使用榮湃數(shù)字隔離器P22x系列在實現(xiàn)可靠I2C接口隔離的技術一些注意事項。

2．I2C總線簡介

I2C總線只有兩根雙向線。一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時鐘線SCL，應用范圍很廣，詳細如圖一所示。

圖一 I2C總線應用案例

I2C總線接口隔離的難點在于I2C接口的雙向性。總線采用7位地址空間，但需要有16個保留地址，因此理論上在同一條I2C總線上，最多能有27-16個，即112個通訊節(jié)點。但是在實際使用中，通訊節(jié)點數(shù)還受I2C總線最大容許電容400PF的限制，同時也限制了通訊距離最大只有幾米遠。

I2C總線規(guī)定的4種模式下的通訊速率如表1所示：

表1 I2C四種模式下通訊速率

大部分的工程師在用到I2C總線是板內，或走線相對較短，當I2C雙向連接的器件一端需要長線或走線出板的時候，在通訊的時候可能會發(fā)生丟碼或誤碼的情況。I2C隔離內部原理框圖如圖二所示，如果I2C的其中一端連接的器件走線較長，建議連接線短的器件做從機，走線長的器件做主機，客戶可以按照實際情況做調整來避免這種情況的發(fā)生。

圖二 I2C內部原理

3．I2C隔離電路設計

下面著重討論多主模式下，I2C接口隔離方案：在多主模式下，如果使用傳統(tǒng)光耦進行隔離，由于串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL都需要雙向通信，因此需要4個光耦。使用榮湃半導體公司推出的Pai220N可實現(xiàn)多主模式下隔離。Pai220N系列是高可靠性的雙通道雙向I2C數(shù)字隔離器，提供符合UL1577的電氣隔離耐壓3000Vrms，且具有高電磁抗擾度和低輻射的特性，支持I2C接口，SMBus，PMBus等，詳細如圖三所示。

圖三 I2C隔離原理圖

技術應用工程師程忠誠先生介紹到，數(shù)字隔離器相對于光耦而言，外圍電路更加簡單。需要注意的是除了在VDD1/VDD2對地之間增加100nF-1uF電容，布板時盡量靠近VDD1/VDD2引腳外，為了保證產品的可靠性，防止信號過沖，增加電路的魯棒性，建議在客戶可以在I2C隔離芯片的VDD1/VDD2腳增加一個50-100歐姆的上拉電阻，詳細如圖四所示。

圖四 I2C隔離增加上拉電阻原理圖

榮湃半導體公司的代理商南京商絡電子股份有限公司，其業(yè)務拓展中心副中心長孫建軍先生介紹到，除了I2C隔離應用外，榮湃半導體公司已經上市多款高性能數(shù)字隔離器，綜合性能優(yōu)于市場上的其他競爭對手（如速度快4倍，工作電流降低5倍，延遲降低2.0倍），以及最新發(fā)布的全球最小DFN封裝的數(shù)字隔離芯片，適合RS485接口通訊，CAN隔離，SPI隔離通訊等隔離應用。