設(shè)計(jì)一個(gè)屬于您自己的簡(jiǎn)易 I2C 隔離器

關(guān)鍵詞：I2C 隔離器、工業(yè)接口、RS-485、RS0-232、CAN、模擬、信號(hào)鏈、半導(dǎo)體、德州儀器、TI

通常產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間非常緊張，用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的資金也并不寬余。但不管怎樣，我們都必須要在不增加成本的前提下設(shè)計(jì)出能夠運(yùn)行于惡劣環(huán)境下的穩(wěn)健系統(tǒng)。一般而言，這會(huì)要求使用電流隔離，用于保護(hù)敏感控制電子組件免受外部突入和瞬態(tài)浪涌電流的損害。

如果您的設(shè)計(jì)涉及許多工業(yè)接口，那么當(dāng)您在各大半導(dǎo)體廠商的官方網(wǎng)站上看到琳瑯滿目的RS-485、RS-232、CAN和I2C信號(hào)隔離器時(shí)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)自己像一個(gè)進(jìn)到糖果店里的小孩一樣興奮不已。但是，當(dāng)您想要采購(gòu)經(jīng)理批準(zhǔn)購(gòu)買這些產(chǎn)品時(shí)，他會(huì)立馬給您潑上一盆冷水：“不能利用一些已有的標(biāo)準(zhǔn)組件嗎？不管用什么方法，把它們都利用起來(lái)？”

今后碰到這種情況，您可以熱情洋溢的回答“沒(méi)問(wèn)題”了，因?yàn)楸疚膶槟榻B一小部分工業(yè)接口電路，它們幾乎都只使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)隔離器。圖 1-4 顯示了工業(yè)應(yīng)用中最為常見(jiàn)的數(shù)字接口的簡(jiǎn)化示意圖。

 
圖 1 隔離式 RS-485 總線接口

 圖 2 隔離式 CAN 總線接口[!--empirenews.page--]
  
 
 
圖 3 隔離式 RS-232 線路接口

 圖 4 多主機(jī)應(yīng)用隔離式 I2C 總線接口
 請(qǐng)注意，為了便于說(shuō)明，我們省略了旁路電容器和上拉/下拉電阻器。首批三個(gè)電路都有一個(gè)異步數(shù)據(jù)傳輸模式，其使用兩條數(shù)據(jù)線路和一條控制線路，用于驅(qū)動(dòng)器/接收器激活。這樣，在節(jié)點(diǎn)控制器和標(biāo)準(zhǔn)兼容收發(fā)器芯片之間便只需一個(gè)三重隔離器了。

 圖 4 所示隔離式 I2C（inter-integrated circuit，IIC）表示一種特殊情況，因?yàn)樗С謨H有幾英寸長(zhǎng)的短通信鏈路，因此不需要線路收發(fā)器。在一些多主機(jī)應(yīng)用中，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)同時(shí)訪問(wèn)總線。為了防止信號(hào)轉(zhuǎn)回其源，我們使用一個(gè)雙向緩沖器來(lái)支持從R(x,y) 到 S(x,y)  的接收傳輸以及 S(x,y) 到 T(x,y) 的發(fā)送傳輸，而非R(x,y) 到 T(x,y) 的直接回環(huán)。

 幸運(yùn)的是，多主機(jī)設(shè)計(jì)只是少數(shù)情況，大多數(shù)都是單主機(jī)應(yīng)用。因此，我們可以極大地簡(jiǎn)化圖 4 所示電路。

 由于是單主機(jī)，時(shí)鐘信號(hào) (SCL) 僅需單向傳輸，從而將時(shí)鐘隔離減少至一條通道。然后，用一個(gè)晶體二極管開關(guān)代替雙向緩沖器，這樣隔離層（圖 5）每端將電路簡(jiǎn)化至我們的標(biāo)準(zhǔn)三重隔離器（圖 6）。

圖 5 利用晶體管開關(guān)隔離發(fā)送和接收路徑[!--empirenews.page--]

 在待機(jī)模式下，隔離器輸入 A 和 C 通過(guò) R2 和 R4 被拉至高電平，推高輸出 B 和 D。另外，主和從數(shù)據(jù)線路（SDA1 和 SDA2）通過(guò) RPU1 和 RPU2 被拉至高電平。當(dāng)主機(jī)通過(guò)拉低 SDA1 開始通信時(shí)，Q1 發(fā)射極結(jié)點(diǎn)被正向偏置，而 Q1 將輸入 A 拉至低電平。輸出B 跟著變?yōu)榈?strong>電平，并正向偏置 D2。D2 拉低 SDA2。與此同時(shí)，Q2 發(fā)射極結(jié)點(diǎn)被反向偏置，并且 Q2 保持高阻抗。開關(guān)順序相同，僅在從數(shù)據(jù)線路響應(yīng)時(shí)反向。

圖 6 單主機(jī)應(yīng)用隔離式I2C總線接口

 圖 6 顯示了最終的電路情況。至少使用 0.1Μf 電容器來(lái)對(duì)芯片電源進(jìn)行緩沖。通過(guò) 1k 到 10k電阻器，始終將激活輸入端連接至各個(gè)電源軌。這些電阻器可控制進(jìn)入電源線路的浪涌瞬態(tài)所引起的芯片突入電流。利用濾波器電容（此處為 220pF）來(lái)抑制敏感的 CMOS 輸入噪聲，是一種較好的模擬設(shè)計(jì)方法。

 沒(méi)有隔離電源，隔離設(shè)計(jì)便不完整。圖 7 顯示了一種低成本、隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，用于替代昂貴的集成 DC/DC 模塊。主副電源均可以在 3.3V 和 5V 之間變化。下列表格列出了三種電源組合的相應(yīng)組件。

圖 7 隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器

 下次，我們將討論如何利用 SPICE 設(shè)計(jì)一種低功耗、高精度 PID 溫度控制環(huán)路，敬請(qǐng)期待。