對(duì)I2C信號(hào)和SMBus信號(hào)進(jìn)行無毛刺快速隔離的方法

I²C 是一種流行的串行協(xié)議，適用于電源控制器、ADC、DAC、EEPROM 以及其他器件。在某些數(shù)據(jù)采集和電源控制設(shè)備中，您必須把 I²C主設(shè)備與一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備隔離開來，以便解決噪聲、接地和安全等問題。另外，雖然可以把 128 個(gè)外設(shè)連接到總線，但在某一部位，地電位差和總線電容過大會(huì)使噪聲余量和定時(shí)余量變小。本設(shè)計(jì)思路表明如何利用用一種符合 400kHz 增強(qiáng)型 I²C 總線規(guī)范要求的方法，對(duì) I²C 或 SMBus 信號(hào)進(jìn)行快速的、無毛刺光隔離。I²C 總線由雙向時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線（SCL 和 SDA）組成，SCL和SDA 均用電阻器或電流源來拉高電平。各器件均用集電極開路的I/O 引腳連接到總線。有一種隔離I²C信號(hào)的辦法是用圖1所示電路的變種來實(shí)現(xiàn)的，圖1僅僅示出了 SDA；SCL 工作原理與SDA相同。

圖1，本電路是一種簡(jiǎn)單的I²C隔離器。

　　圖 1 所示電路的工作原理是，把非隔離 的SDA 線路電位拉低的一個(gè)器

件會(huì)使一個(gè)光耦合器 LED導(dǎo)通，從而使隔離的 SDA 線路電位拉低，并使隔離側(cè)的光耦合器 LED不工作，反之亦然。然而，如果隔離勢(shì)壘兩側(cè)的器件正在拉低各自的 SDA 線路的電位，則這些光耦合器就處于一種不確定狀態(tài)，兩個(gè) LED 部分導(dǎo)通。當(dāng)非隔離的器件釋放其 SDA 線路時(shí)，SDA線路上的電壓上升，直到隔離側(cè)的 LED 能夠完全導(dǎo)通為止。只有這樣，非隔離的 SDA 線路才會(huì)再次變?yōu)榈碗娖?。這種情況在I²C通信期間的各個(gè)時(shí)候都會(huì)發(fā)生，其中包括時(shí)鐘同步（在 SCL 線路上）、多主設(shè)備仲裁、SMBus 中斷仲裁（在 SDA 線路上）。圖 2 示出了圖 1 所示電路的工作細(xì)節(jié)。 74HC125 三態(tài)非反相緩沖器仿真兩個(gè) I²C 器件的漏極開路輸出。 線上的邏輯低電平迫使輸出端變?yōu)榈碗娖?，而邏輯高電平則使輸出端處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。波形1 和波形 2 表示 SDA緩沖器 和隔離的 SDA 緩沖器的使能線的輸入信號(hào)。波形3 和波形 4 則分別表示相應(yīng)的輸出信號(hào)。

圖2，簡(jiǎn)單的 I²C 隔離器在某些情況下會(huì)產(chǎn)生大量毛刺。

　　這類電路以多種形式發(fā)表在報(bào)刊上，而且通常配有需要 5 ~ 10 mA  LED 驅(qū)動(dòng)電流的慢速光耦合器。這些電路可在有限的設(shè)備中使用，但它們速度慢，而且仍然會(huì)產(chǎn)生毛刺。試圖用高速元件來克服速度問題和驅(qū)動(dòng)問題，只會(huì)使這些電路變得幾乎無法使用。圖 1 所示電路使用需要 500mA  LED 驅(qū)動(dòng)電流的高速 HCPL2300 光耦合器。如果兩條 SDA 線都保持為低電平，然后同時(shí)釋放，則兩個(gè)光耦合器就會(huì)互相對(duì)抗，形成振蕩器（圖 3）。這種振蕩的特性取決于上拉電阻、供電電壓和電容型數(shù)據(jù)線路（去掉 9pF 示波器探頭中的一個(gè)，就會(huì)使振蕩停止，而用一個(gè) 10pF 電容器代替這一探頭，就會(huì)再次開始振蕩）。

圖3，在圖1所示電路中使用高速元件會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的行為。


圖4，改進(jìn)的I²C隔離器速度快，不會(huì)產(chǎn)生毛刺。

　　圖 4 所示電路通過建立“高”（上拉至 5V）、“拉低”和“被拉低”三種邏輯電平來解決這些問題。當(dāng)兩側(cè)都處于空閑高電平時(shí)，兩個(gè)光耦合器均關(guān)斷。當(dāng)某一側(cè)把其SDA線拉至低于 0.4V（適合于集電極開路輸出和漏極開路輸出的安全假定值）時(shí)，比較器使其 LED導(dǎo)通。另一側(cè)的SDA線拉低至大約 0.6V，這仍被解釋為邏輯低電平，但不會(huì)導(dǎo)致那一側(cè)的 LED 導(dǎo)通。當(dāng)兩側(cè)均在拉低各自SDA線電平時(shí)，兩個(gè) LED 都導(dǎo)通。在這種狀態(tài)下，如果一側(cè)釋放其SDA線，那么它會(huì)很明顯地從 I²C器件輸出的低電平升至大約 0.6V。

圖5，這一示波器照片示出了改進(jìn)的I²C隔離器的工作情況。

　　圖 5 示出了圖 4 所示電路的工作細(xì)節(jié)。LT1719 比較器和 Agilent公司的 HCPL2300 光隔離器的組合，能滿足 400kHz 增強(qiáng) I2C 總線規(guī)范的定時(shí)要求?？倐鬏斞舆t大約為 100 納秒，因此您可以調(diào)節(jié)邏輯閾值來適應(yīng)其它要求。雖然您可以使用該電路來使SDA 和 SCL 線支持時(shí)鐘完全同步，但只要主設(shè)備的通信速度不快于最慢的從設(shè)備，就不必使用這種額外的電路。如果您不需要時(shí)鐘同步，則您可在SCL中 使用一個(gè)光耦合器。