有關I2C隔離器的六大設計問題

我們整理了一些關于隔離I²C設計的FAQ，供您參考。這些見解是根據德州儀器在線支持社區(qū)中有關I²C隔離器的常見問題而提供的。希望這些信息能夠幫助工程師在設計過程中解決信號和電源隔離的問題。

1.什么情況下需要隔離I²C？

隔離可防止系統(tǒng)兩個部分之間的直流電和異常的交流電，但仍然支持兩個部分之間的信號和電源傳輸。隔離通常能夠阻止電氣組件或人員遭受危險電壓和電流浪涌的傷害；用于保護人員的隔離稱為增強型隔離。I²C已成為許多系統(tǒng)中流行的全球標準；因此，隔離I²C已經擴散到大多數高壓市場。

常見的隔離I²C應用包括：

·???????? 網絡和服務器電源中的微控制器（MCU）到MCU通信。

·???????? 汽車電池管理系統(tǒng)和醫(yī)療系統(tǒng)中MCU到模數轉換器通信。

·???????? 以太網供電系統(tǒng)中的MCU到供電設備控制器通信。

·???????? MCU與電流/電源監(jiān)控系統(tǒng)的通信。

2.是否可以在數字隔離器上連接兩個單向信道，以實現I²C通信的雙向信道？

不可以，連接兩個相反方向的單向信道不會產生雙向信道。如果用數字隔離器替換隔離I²C器件，數字隔離器將閂鎖到單一狀態(tài)并變得無響應。使用數字隔離器實現隔離I²C總線需要外部組件。有關如何使用標準數字隔離器實現隔離I2C的更多信息，請參閱模擬設計期刊文章“使用數字隔離器設計增強型隔離I²C總線接口。”此外，E2E社區(qū)隔離論壇主題中更詳細地說明了為什么數字隔離器在雙向I2C應用中無外部組件的情況下將閂鎖到單一狀態(tài)。

3.ISO1540和ISO1541隔離I²C器件的電流消耗是多少？

ISO154x數據手冊中的表6.10列出了不帶任何上拉電阻的ISO1540和ISO1541的電流消耗。添加上拉電阻時，電阻會消耗額外的電流。例如，在SDA2/SCL2處向器件添加1kΩ的上拉電阻，在SDA1/SCL1處添加10kΩ的上拉電阻，VCC1 = VCC2 = 5 V時，上拉電阻消耗的額外電流將對于SDA1/SCL1為約為5mA，對于SDA2/SCL2約為0.5 mA。

對于需要更低功耗的隔離I2C應用，超低功耗ISO7041可以替代ISO7731器件，如模擬設計期刊文章中第2個問題所述。ISO70xx的功耗將比ISO77xx器件提升一個數量級。

4.建議什么邏輯高低輸入電壓電平應用于ISO1540和ISO1541隔離I²C器件？

表1列出了ISO1540?and?ISO1541器件1側和2側輸入的推薦邏輯輸入電壓電平。

表1：ISO154x輸入電壓電平

這些輸入電壓電平適用于I²C數據和時鐘信號。欲了解更多信息，請參閱ISO154x數據表中的表6.3。

5.為什么ISO1540和ISO1541雙向I2C隔離器的1側上的邏輯低電平輸出電壓VOL1高達0.8 V？

為了實現隔離I²C器件的雙向功能，器件需要設計有兩個背靠背連接的單向信道，以實現單個雙向信道。直接連接兩個單向信道會導致鎖定情況，兩個信道都是低電平。為避免這種情況，1側輸出端的二極管使1側輸出信道的低電平輸出看起來像1側輸入信道的高電平。圖1顯示了二極管的位置。

圖1：ISO154x簡化原理圖

由于該二極管，V_OL1的電壓最高可達0.8 V.當2側檢測到2側為低電平時，1側將打開場效應晶體管，使二極管導通，產生非零正向電壓。ISO154x器件中的閾值經過精心設計，可確保雙向信道平穩(wěn)運行 - 只要V_OL和V_IL規(guī)范符合ISO154x數據表中表6.9.所示的ISO154x器件閾值即可。這種方法已成為業(yè)界用于實現雙向I²C功能的常見做法。低邏輯電平的非零電壓仍將與I²C規(guī)范兼容。

請注意，這僅適用于V_OL1。由于器件的2側不需要二極管，因此V_OL2最大值為0.4 V，這在大多數數字隔離器中很常見。

6.如何為I²C隔離器構造隔離型電源？

為I²C隔離器構造隔離型電源有幾種可選的方法；最佳解決方案須視具體的應用需要而定。

一個選擇是使用 SN6501這樣的變壓器驅動器，此種驅動器可用于具有次級側變壓器和可選整流低壓差穩(wěn)壓器的推挽式配置（圖 2）。SN6501的功率高達1.5 W，可作為隔離型電源。此設備具有高度靈活性，幾乎可用在所有應用中。這是因為變壓器和匝數比能為電源提供必要的隔離等級和輸出電壓。如果您需要為其他設備提供隔離電源，則可使用SN6505而不是SN6501，獲得高達5 W的輸出功率。SN6505具有額外的保護特性，例如過載和短路、熱關斷、軟啟動和壓擺率控制等，方便設計人員構筑穩(wěn)健的解決方案。

圖2：采用ISO1541的信號和電源隔離I²C解決方案

另一個針對空間受限應用的可選方法是ISOW78xx系列器件，該系列可在小外形集成電路16引腳封裝中提供信號和電源隔離特性。ISOW7842還可以與外部組件結合使用。圖3提供了具有雙向數據和單向時鐘的系統(tǒng)解決方案示例，當使用一些額外組件進行修改時，可以支持雙向數據和時鐘信號。

圖3：采用ISOW7842的信號和電源隔離I²C解決方案

欲了解有關每個隔離電源選項優(yōu)缺點的更多信息，請參閱“如何為隔離I²C隔離信號和電源 I²C”。

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其他資源

·???????? “實現高壓信號隔離質量和可靠性”

·???????? “通過隔離SPI和I²C簡化電池管理系統(tǒng)（BMS）中電流和電壓監(jiān)控”。

·???????? “采用ISOW7841集成信號和電源隔離器的低功耗設計”。