對I2C信號和SMBus信號進(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)備與一個或多個從設(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使噪聲余量和定時余量變小。本設(shè)計思路表明如何利用用一種符合 400khz 增強型 i2c 總線規(guī)范要求的方法，對 i2c 或 smbus 信號進(jìn)行快速的、無毛刺光隔離。i2c 總線由雙向時鐘和數(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信號的辦法是用圖1所示電路的變種來實現(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器件會使一個光耦合器 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 led 部分導(dǎo)通。當(dāng)非隔離的器件釋放其 sda 線路時，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 線路才會再次變?yōu)榈碗娖健＿@種情況在i2c通信期間的各個時候都會發(fā)生，其中包括時鐘同步(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 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)榈碗娖剑壿嫺唠娖絼t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。波形3 和波形 4 則分別表示相應(yīng)的輸出信號。

　　圖2，簡單的 i2c 隔離器在某些情況下會產(chǎn)生大量毛刺。

　　這類電路以多種形式發(fā)表在報刊上，而且通常配有需要 5 ~ 10 ma led 驅(qū)動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，而且仍然會產(chǎn)生毛刺。試圖用高速元件來克服速度問題和驅(qū)動問題，只會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，然后同時釋放，則兩個光耦合器就會互相對抗，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，就會使振蕩停止，而用一個 10pf 電容器代替這一探頭，就會再次開始振蕩)。

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

　　圖4，改進(jìn)的i2c隔離器速度快，不會產(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，兩個光耦合器均關(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，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，兩個 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 (http://www.agilent.com/)的 hcpl2300 光隔離器的組合，能滿足 400khz 增強 i2c 總線規(guī)范的定時要求。總傳輸延遲大約為 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。如果您不需要時鐘同步，則您可在scl中 使用一個光耦合器。