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2018/08/30
I2C總線結構簡單且易于實現，廣泛應用于設備或模塊間的連接。在某些數據采集和電源控制設備中，必須把I2C主設備與一個或多個從設備隔離開來，以便解決噪聲、接地、安全等問題。本文主要介紹如何利用納芯微電子(NOVOSENSE)生產的NSI810x系列芯片高效快速的實現I2C設備隔離。
首先我們先來了解下NSI810x系列芯片。NSI810x系列芯片為兼容I2C接口的高可靠性雙向數字隔離器，其符合AEC-Q100標準，具有高電磁抗擾度和低輻射的特性。NSI810x系列產品的主要性能指標如下：
-高達5000VRMS隔離電壓
-I2C時鐘速率：高達2MHz
-供電電壓范圍：2.5V~5.5V
-高CMTI：150kV/μs
-芯片級ESD：HBM高達±6kV
-高系統級EMC性能：增強型系統級抗ESD、EFT、浪涌能力
-隔離柵壽命：>60年
NSI810x系列均包含窄體SOIC8及寬體SOIC16兩種封裝形式，各型號功能框圖如下：
圖1 NSI8100/NSI8101窄體SOIC8封裝圖
圖2 NSI8100/NSI8101寬體SOIC-16封裝圖
NSI810x系列典型應用電路
NSI810x系列產品外圍電路簡單，只需要雙端電源供電及在I2C通信引腳連接上拉電阻滿足芯片的開漏驅動即可實現I2C總線的隔離（如圖3）。那么，如何選取合適的上拉電阻，是該類應用電路的關鍵。
圖3 隔離I2C外圍電路
分析上拉電阻對隔離電路的影響時，需要考慮兩種情況。第一種情況是當SDA1傳向SDA2的信號由高電平轉換為低電平時（如圖3），必須保證NSI810x的輸出驅動能力IO大于外部上拉電路的上拉能力IPU2，SDA2的狀態才能跟隨輸入狀態發生相應變化。
IO=15mA
IPU2≈VDD2/ RPU2
選取最大供電電壓5.5V的情況，RPU2應滿足如下條件：
RPU2>5.5/0.015≈370Ω
當IPU2<IO時，side2輸出隨輸入變化為低電平狀態，此時，端口信號的下降時間t保持約10ns固定狀態，與負載電容的大小幾乎無關。
第二種情況是當SDA1傳向SDA2的信號由低電平轉換為高電平時，由于NSI810x系列的開漏驅動特性，SDA2的狀態由外部上拉電路決定。此外，由于電路中對地負載電容與上拉電組的RC電路的充電效應，使得side2輸出恢復高電平的時間（tPLH12）與除了與隔離電路傳播延時（tLH12）有關，還與該RC電路的充放電時間有關（tRC），即
tPLH12= tLH12+ tRC
在相同的負載電容情況下，上拉電阻越大，tRC 就越大，導致輸出上升時間就越長。又由于其下降時間不隨RC的大小發生變化，因此，過大的上拉電阻可能會導致輸出信號的占空比發生改變。當信號速率越高，信號鏈越長，該狀況引起的危害越大。
由SDA2向SDA1發送信號時的狀況與此類似，在此不進行贅述。
圖4 隔離I2C信號傳輸波形
由上述可知，在滿足芯片能夠正常工作的前提下，從信號完整性的角度來說，上拉電阻的阻值取得越小越好。但在系統級應用中，我們還需要更全面的考慮其帶來的影響。當我們選取的上拉電阻阻值越小，信號端被驅動低電平狀態時，該電阻在系統中消耗的功耗就越大。因此，在實際應用中，我們應該在滿足信號有效傳輸的前提下，選取最大的上拉電阻以減小功耗。
NSI810x系列實現防閂鎖雙向通信的原理
圖5低電平閂鎖電路等效圖
一個雙向傳輸的隔離通道可利用兩個反向傳輸的數字隔離通道組成。然而，如果單純的將兩個反向通道相連，那么任何一端的總線狀態會由外界輸入和另一端的傳輸信號相與得到。當有一端外界輸入低電平信號時，總線狀態將會鎖死為低電平狀態而無法釋放，其等效電路狀態如圖5所示。
為了解決這種問題，NSI810x在side1端增加內部偏置電路，當side2發送低電平信號至side1時，該電路將低電平信號拉高至VOL1，對通常的COMS或TTL電平來說，該電壓還是被判定為低電平，但對于NSI810x芯片來說，VOL1在side1端作為輸入則會被識別為高電平傳輸到side2，從而起到了解除低電平閂鎖的目的。
以下是side1端發送信號電平轉換的幾種情況：
I）、side1發送信號由高電平轉換為低電平
l 由外部信號向side1發送低電平信號（step1）
l 經過隔離通道的傳播延時時長(tPHL12)，低電平信號傳送至side2（step2）;
l 再經過隔離通道傳播延時時長(tPHL21)，side2的低電平信號再次回傳至side1(step3)
l side1的實際信號為外部輸入信號(step1)與side2回傳的信號(step3)相與。因此，在外部輸入信號由高變低時，實際信號由高變低（step4）。
II）、side1發送信號由低電平轉換為高電平
l 由外部信號向side1發送高電平信號(step1);
l 經過隔離通道的傳播延時時長(tPLH12), side2端狀態由上拉電阻拉高(step2);
l 再經過隔離通道傳播延時時長(tPLH21),side2的高電平信號再次回傳side1(step3)
l side1的實際信號為外部輸入信號(step1)與side2回傳的信號(step3)相與。因此，當外部輸入信號由低變高時，需經過tPLH12+ tPLH21時長的VOL1,才會再變為高電平信號（step4）。
III）、side2發送信號由高電平轉換為低電平
l 由外部信號向side2發送低電平信號(step2);
l 經過隔離通道傳播延時時長(tPHL21), 低電平信號傳送至side1，由于此時side1信號電平VOL1>VIH1，低電平信號不再次進行回傳(step3)。
IV）、side2發送信號由低電平轉換為高電平
l 由外部信號向side2發送低電平信號(step2);
l 經過隔離通道傳播延時時長(tPLH21), side1的狀態由外部上拉電阻拉高至高電平狀態(step3)
圖6 信號傳輸過程
NSI810x VS.傳統光耦I2C隔離電路
圖7左側為使用4個光耦芯片及復雜的外圍電路搭建的I2C端口隔離電路，其所需器件產生的成本、電路的復雜度及PCB空間的增加都將大大限制I2C的隔離應用。相比之下， NSI810x僅需單顆芯片及用于電源的旁路電容即可實現I2C接口隔離。
圖7 傳統光耦I2C隔離電路
除此之外，NSI810x系列芯片的各項功能指標也遠優于光耦隔離電路（如表1所示）
表1 傳統光耦與NSI810x性能比較
總結
目前針對市面上不同的應用電路雖然有多種實現I2C系統隔離的方法，但NSI810x系列集成隔離I2C器件可實現將SDA與SCL雙路I2C隔離及其外部電路集成在同一個芯片內，使得I2C隔離應用電路更加簡單，且具有速度快、隔離電壓高、抗共模能力強、可靠性高等優點。此外，NSI810x系列芯片P2P兼容目前市面上已有的I2C隔離器件，可幫助工程師以更低的成本實現高性能的I2C系統隔離功能。
