【導(dǎo)讀】工業(yè)和儀器儀表(I&I)、電信以及醫(yī)療應(yīng)用的一個關(guān)鍵要求是需要一個可靠接口來傳輸數(shù)據(jù)。(I2C)總線是一種雙線制雙向總線，用于集成電路之間的低速、短距離通信。(I2C)是由飛利浦公司于20世紀(jì)80年代早期為單個電路板上的IC開發(fā)，其應(yīng)用依然在不斷增長。電源管理總線(PMBus)是一種速度相對較慢的雙線式通信協(xié)議，該協(xié)議基于(I2C)，可針對電源進(jìn)行數(shù)字管理。PMBus協(xié)議定義了一種開放標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電源管理協(xié)議，能為電源轉(zhuǎn)換器或連接的其他器件通信提供便利。
圖1顯示隔離柵在(I2C)接口和與該接口相連的每個系統(tǒng)之間提供電流隔離，既允許在兩點之間傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，又可防止接地電流流過；這樣可以消除耦合到通信總線上的噪聲，從而降低信號失真和誤差。
圖1. 隔離功能
電信應(yīng)用中使用的PCB通常集成數(shù)字控制電源轉(zhuǎn)換器以及工作在不同地電位的電路。 為確保實現(xiàn)無差錯的卡片插入/移除操作以及魯棒的工作性能，必須隔離每一個接口；但(I2C)接口隔離很復(fù)雜，因為總線是雙向的。 光耦合器就不滿足這樣的要求，因為它是單向的。 圖2顯示PMBus通信鏈路，該鏈路可將原邊上的ADM1075（-48 V熱插拔）以及數(shù)字電源監(jiān)控器與副邊相隔離，它采用12 V和3.3 V電源供電。ADM3260雙通道I2C隔離器集成DC-DC轉(zhuǎn)換器，可隔離SDA和SCL信號。其隔離電源(3.3V_ISO)為ADuM3200雙通道數(shù)字隔離器供電，后者可用來隔離SHDN和RESTART信號。
圖2. 典型的隔離式PMBus通信鏈路
由于在低壓域中，原邊參考–48 V而副邊參考地，因此需進(jìn)行隔離。 如果(I2C)端口不小心直接連接–48 V電源，那么隔離可以防止器件永久性受損。 隔離還能提供針對線路浪涌或接地環(huán)路產(chǎn)生的高壓或電流的保護(hù)——系統(tǒng)有多重接地時便可能會發(fā)生這種情況。 隔離電源通道(3.3 V_ISO)允許副邊為原邊供電，無需另行使用低壓電源——這種低壓電源在–48 V域中不常見，且難以生成。 跨越隔離柵的全部額外I/O信號都需要使用同樣可由ADM3260供電的隔離器。 為實現(xiàn)魯棒的數(shù)據(jù)通信鏈路，連接(I2C)總線的每個(I2C)器件都必須隔離。
隔離式(I2C)應(yīng)用示例有：
- I2C、SMBus或PMBus接口隔離
- 用于電源的電平轉(zhuǎn)換I2C接口
- 網(wǎng)絡(luò)
- 以太網(wǎng)供電
- 中央交換
- 電信與數(shù)據(jù)通信設(shè)備
- 隔離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
- −48 V分布式電源系統(tǒng)
- −48 V電源模塊
通常需通過I2C總線并跨越隔離柵傳輸精密轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)（ADC或DAC）。 圖3顯示兩個隔離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 這些應(yīng)用還需要隔離式電源來為副邊的轉(zhuǎn)換器和放大器供電。
圖3. (a)隔離式I2C ADC與放大器 (b)隔離式I2C DAC與放大器
某些應(yīng)用要求通道間隔離，其中每條通道都與其他所有通道隔離，如圖4所示。
圖4. 通道間隔離I2C ADC與放大器
在較為龐大的系統(tǒng)中，不同的電壓域之間需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 一個例子便是在電信機(jī)架式系統(tǒng)中的每個線路卡上隔離PMBus。 圖5是一款典型的電信應(yīng)用，具有多個線路卡，可插入到–48 V背板中。 本應(yīng)用中，隔離器對I2C邏輯信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換操作，將其從–48 V背板轉(zhuǎn)換為完全隔離式+12 V系統(tǒng)。
使用隔離式DC-DC電源或ADI的isoPower®集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)可實現(xiàn)I2C通信鏈路的電源隔離。 使用光耦合器或ADI的iCoupler技術(shù)可實現(xiàn)信號隔離。
圖5. –48 V應(yīng)用中的PMBus信號隔離與電平轉(zhuǎn)換
實現(xiàn)隔離式I2C接口
必須在原邊智能器件（比如ADC或DAC）與副邊處理器之間實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，并且電源必須從原邊傳輸至副邊。 如需隔離數(shù)據(jù)鏈路，就必須同時隔離數(shù)據(jù)線路和電源。 所有連接I2C鏈路的器件都必須與I2C總線隔離，如圖6所示。
圖6. 隔離式I2C接口
隔離式I2C接口挑戰(zhàn)
由于I2C接口是雙向的，進(jìn)行隔離的同時避免總線毛刺和鎖定將有一定難度。 圖7是一個基于光耦合器的接口。 光耦合器是單向的，因此每條雙向I2C線路必須分割為兩條單向線路。 隔離一個完整的I2C接口需要用到4個光耦合器和幾個無源器件。 由此產(chǎn)生的成本、PCB面積以及復(fù)雜性降低了簡單的低成本雙線式I2C接口本身的價值。 注意，還需要一個隔離式電源。
圖7. 基于光耦合器的I2C接口
隔離技術(shù)： 數(shù)據(jù)和功率
圖8比較了兩種主要的隔離技術(shù)。iCoupler技術(shù)(a)使用厚膜工藝技術(shù)構(gòu)建微型片內(nèi)變壓器，實現(xiàn)2.5 kV隔離。 較古老但廣泛采用的光耦合器解決方案(b)則采用發(fā)光二級管(LED)和光電二極管。 LED用于將電信號轉(zhuǎn)換為光，光電二極管則用于將光轉(zhuǎn)換回為電信號。 電光轉(zhuǎn)換本身的低轉(zhuǎn)換效率導(dǎo)致功耗相對較高；光電二極管的慢速響應(yīng)則限制其速度；而老化問題會限制其使用壽命。
通過使用晶圓級工藝制造片內(nèi)變壓器，則iCoupler通道能以較低的成本相互集成，以及與其他半導(dǎo)體功能集成。 一個例子便是集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的熱插拔雙通道I2C隔離器ADM3260。iCoupler隔離技術(shù)在很多方面克服了光耦合器所造成的限制： 這些易于使用的器件縮小整體解決方案尺寸、系統(tǒng)成本和功耗，同時提升了性能和可靠性。 此外，采用iCoupler技術(shù)，則性能不會因為電流傳輸比(CTR)而下降——標(biāo)準(zhǔn)光耦合器的CTR會隨著時間推移而老化——并且iCoupler是雙向技術(shù)，而光耦合器技術(shù)是固有單向技術(shù)。
圖8. 隔離技術(shù)比較： (a) iCoupler隔離 (b) 光耦合器隔離
不久前，在隔離端創(chuàng)建一個低壓電源尚需使用相對較大且昂貴的獨立DC-DC轉(zhuǎn)換器，或者需采用定制的分立電路，如圖9所示。這些方法是僅有的替代方案，哪怕對于I2C數(shù)據(jù)通信或其他只需少量隔離式電源的應(yīng)用亦是如此。
圖9. 用于電源隔離器的分立式–48 V至5 V電源解決方案
為了解決這一問題，ADI開發(fā)了一款完整的全集成式解決方案，利用微變壓器跨越隔離柵實現(xiàn)信號和電源傳輸。 這是對我們完善iCoupler技術(shù)的延伸，是一種突破性的替代方案，稱為isoPower。 該方案可利用單個元件實現(xiàn)高達(dá)5 kV的信號與電源隔離，無需使用隔離式電源，大幅縮小典型I2C總線的PCB面積、縮短設(shè)計時間并降低總系統(tǒng)成本。
集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的雙通道I2C隔離器
圖10將使用分立元件的PMBus隔離解決方案與完全集成式解決方案進(jìn)行了比較。 這款分立式方案需要使用4個光耦合器進(jìn)行隔離、一個隔離式電源以及復(fù)雜的模擬電路來防止閂鎖并抑制毛刺。 隔離式電源采用變壓器驅(qū)動器IC來驅(qū)動分立式變壓器，并與簡單的整流器和低壓差調(diào)節(jié)器配合，凈化隔離供電軌。 該設(shè)計需要8個IC和多個無源器件，導(dǎo)致接口成本上升、PCB面積增加、可靠性下降。
集成式解決方案采用單個IC，搭配所有I2C接口都會配備的去耦電容以及上拉電阻后，可提供完全隔離的雙向I2C接口與隔離電源。 ADM3260不會產(chǎn)生任何毛刺和鎖定問題，具有經(jīng)過UL認(rèn)證的2.5 kV rms隔離額定值，采用20引腳SSOP封裝。 該器件提供雙向隔離式數(shù)據(jù)與時鐘線路和隔離式電源，無光耦合器的尺寸、成本和復(fù)雜性問題。
該單芯片解決方案能夠顯著縮減隔離式I2C接口所需的成本、設(shè)計時間和PCB面積，同時提升可靠性。 該產(chǎn)品無需修改即可采用3.3 V或5 V電源供電，避免采用分立式設(shè)計時所必需的設(shè)計變更，同時提供150 mW輸出功率(5 V)或65 mW輸出功率(3.3 V)，可用來上電ADC、DAC或隔離端的其他小系統(tǒng)。
圖10. 隔離式I2C設(shè)計對比： (a) 分立式解決方案 (b) 集成式解決方案
瞬變保護(hù)
為了讓隔離式接口能夠在工業(yè)應(yīng)用等惡劣工作條件下運行，iCoupler和isoPower隔離技術(shù)提供高于25 kV/ìs的共模瞬變抗擾度。 它確定原邊和隔離端之間電位差上升沿和下降沿上的最大壓擺率，確保耦合到總線的瞬變信號不會損壞連接總線的器件或破壞已傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，同時增強(qiáng)數(shù)據(jù)鏈路可靠性。
2.5 kV隔離保護(hù)和認(rèn)證
該隔離解決方案的器件原邊與隔離端之間隔離額定值為2.5 kV rms。 此隔離額定值保證電流無法從原邊流入I2C總線，并且耦合至總線的電壓或瞬變信號不會到達(dá)邏輯端。 2.5 kV隔離保護(hù)還意味著，可以保護(hù)邏輯端的用戶與設(shè)備不受總線端的高電壓或瞬變影響。 ADM3260的2.5 kV隔離額定值正在接受下列機(jī)構(gòu)的認(rèn)證： 美國保險商實驗所(UL)、德國電氣工程師協(xié)會(VDE)和加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(CSA)。 UL 1577認(rèn)證要求所有器件的隔離柵都要100%經(jīng)過生產(chǎn)測試。 ADM3260提供：
- UL認(rèn)證
- 依據(jù)UL 1577，1分鐘2500 V rms
- VDE合格證書
- IEC 60747-5-2 (VDE 0884, Part 2)
- VIORM = 560 VPEAK
- CSA元件驗收通知#5A
PCB布局
進(jìn)行正確的PCB布局對于確保在實際設(shè)計中實現(xiàn)2.5 kV的額定隔離性能至關(guān)重要。 主要考慮因素是邏輯端GND和總線端GND之間的爬電距離（導(dǎo)線表面之間沿殼體的最短距離）和電氣間隙（最短空氣距離）。 ADM3260的邏輯接口不需要外部電路。 輸入和輸出供電引腳需要電源旁路，如圖11所示。欲了解有關(guān)PCB布局指南和電磁輻射(EMI)控制的更多信息，請參考AN-0971應(yīng)用筆記"isoPower器件的輻射控制建議"。
圖11. ADM3260推薦的印刷電路板布局
ADM3260應(yīng)用與優(yōu)勢
ADM3260熱插拔隔離器同時提供數(shù)據(jù)和電源隔離。 兩路無閂鎖、雙向通信通道支持完整的隔離式I2C/PMBus接口和集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器，提供最高150 mW、3.15 V至5.25 V范圍的隔離式電源。擁有雙向通道則無需將I2C/PMBus信號分成單獨的發(fā)送信號與接收信號，供獨立光耦合器使用。集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器能以小尺寸實現(xiàn)完整的隔離式I2C/PMBus接口。 采用20引腳SSOP封裝的ADM3260如圖12所示，該器件具有5.3 mm爬電距離，工作溫度范圍為–40°C至+105°C，千片訂量報價為2.99美元/片。
除了為熱插拔中央交換局線路卡提供I2C總線隔離，ADM3260還可用來隔離惡劣工業(yè)環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集設(shè)備、通過以太網(wǎng)提供電源和電平轉(zhuǎn)換，以及用于其他各類應(yīng)用中。
圖12. ADM3260隔離式I2C/PMBus接口
結(jié)論
工業(yè)與儀器儀表、電信和醫(yī)療應(yīng)用中的隔離式I2C/PMBus鏈路解決方案要求做到尺寸小、性能穩(wěn)定、價格適中。 通過集成芯片級變壓器隔離，單芯片可實現(xiàn)完全隔離式I2C/PMBus數(shù)據(jù)鏈路，并包含隔離式電源。 熱插拔、雙通道I2C隔離器ADM3260集成DC-DC轉(zhuǎn)換器，是一款緊湊、可靠、低成本、高性能解決方案，可用于這些標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛的應(yīng)用中，并顯著減少電路復(fù)雜程度，大幅縮短設(shè)計時間。
參考文獻(xiàn)
I2C數(shù)字隔離器
數(shù)字隔離器產(chǎn)品選型與資源指南
采用isoPower™技術(shù)的iCoupler®產(chǎn)品：利用微變壓器跨越隔離柵實現(xiàn)信號和功率傳輸
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