詳解I2C總線電平轉換芯片在安防產品的應用

眾所周知，現(xiàn)在CPU供電電壓有越來越低的趨勢，然而外圍功能模塊的供電電壓跟不上CPU供電電壓下降的速度，因此近些年來，電子產品中出現(xiàn)電平不匹配的情況越來越多，常見的解決方法有以下幾種：

1.晶體管+上拉電阻法

就是一個雙極型三極管或MOSFET，C/D極接一個上拉電阻到正電源，輸入電平很靈活，輸出電平大致就是正電源電平。

2.OC/OD器件+上拉電阻法

和第一種非常類似，適用于器件輸出剛好為OC/OD的場合。

3.電阻分壓法

最簡單的降低電平的方法，假設幅值5V電平，經1.6k+3.3k兩個電阻對地分壓，就是3.3V.

4.專用電平轉換芯片

把所有功能都集成在一顆芯片內，并在芯片內部做邊沿處理，體積小，速度快。

下面就著重講一下電平轉換芯片。所謂電平轉換芯片就是能連接兩個不同供電電壓的IC或是模塊，解決這些IC或是模塊的系統(tǒng)供電問題，使這些IC或模塊能正常通信。一般評價一種電平轉換芯片的性能可以從以下幾個方面出發(fā)：

1.解決電平匹配的能力，不簡單于電平的轉換，還有噪聲容限等抗干擾問題。

2.轉換速度，主芯片速率不斷提升，要保證傳輸信號的完整性。

3.電源時序的控制。

4.驅動能力。

圖1：電平轉換芯片應用示意圖

上圖中的電平轉換芯片是雙電源邏輯器件，常見的雙電源電平轉換芯片包括單方向轉換、帶方向控制的雙向轉換(獨立的方向控制引腳)、自動感應雙向轉換，其中自動感應雙向轉換還包括推挽式和漏極開路式(I2C等應用)兩種輸出形式。

圖2：雙向自動感應推挽輸出結構圖

圖3：雙向自動感應漏極開路輸出結構圖

圖2和圖3是英聯(lián)半導體公司兩種輸出形式的雙向自動感應電平轉換芯片的內部結構圖，下面簡單介紹一下芯片的工作方式，圖2是推挽輸出，這種輸出方式要求A、B端口不接上拉或下拉電阻，假如特定情況必須有上下拉電阻，那么阻值必須大于50k歐姆，否則A、B端口可能檢測不到高電平或者低電平。圖3是漏極開路輸出，主要應用于I2C、SPI等IO口需要有上拉電阻的應用。也可以兼容推挽的應用，但是于推挽傳輸速度相對較慢。結構圖中的One-Shot是處理邊沿的內部功能電路，能提升轉換速度。兩種都不需要方向引腳控制，能自動檢測出IO端口的輸入輸出形式。英聯(lián)電子的雙向自動感應電平轉換芯片已經廣泛應用于各種電子產品中，包括手機、POS機、行車記錄儀、安防系統(tǒng)等。

UM3212是一款支持I2C總線和SMBUS的自動雙向，帶使能端的電平轉換芯片。

圖4：UM3212典型應用線路

支持1.0V-3.6V(VREF1)和1.8V-5.5V(VREF2)的工作范圍。EN是開關使能端，參考電平是VREF2.EN為高，內部SW處于導通狀態(tài)，SCL1、SDA1分別連接到SCL2、SDA2，允許數(shù)據雙向傳輸，內部的SW有非常小的導通電阻，因此信號傳輸延時非常小。當EN為低，SW被關閉，端口是高阻態(tài)。

作為標準的I2C系統(tǒng)，UM3212提供一個標準的集電極開路I2C總線，通過上拉電阻為中心提供邏輯高電平。上拉電阻的大小與系統(tǒng)傳輸速率有關，但轉換器必須有上拉電阻。UM3212可以連接到標準模式、快速模式和快速模式Plus的I2C總線器件和SMBUS器件，最大頻率取決于RC時間常數(shù)，可支持2MHz以上的時鐘頻率。

下面是UM3212在IPC中的應用。

IPC(IP Camera)現(xiàn)在已經不局限于工業(yè)交通領域的使用，因為可以無線連接，方便使用，已經開始進入千家萬戶，有成為消費類電子產品的趨勢。

圖5：IPC結構示意圖

現(xiàn)在市場IPC主平臺競爭激烈，海思、TI、NXP、SONY等一線品牌都推出高清IPC解決方案。在很多高清IPC方案中，IPC的圖像傳感器是使用I2C和主平臺通信，很多型號的傳感器都會存在和主平臺供電電壓不匹配的情況。

圖6：TI DM365和MT9P031通信示意圖

上圖DM365平臺和CMOS傳感器之間是I2C通信，需要一顆電平轉換芯片解決電壓不匹配問題。

UM3212是提供了一個很好的解決方案。

UM3212除了在IPC中有廣泛的應用，還在門禁、可視電話、行車記錄儀、GPS等安防產品都有廣泛的應用。