I²C接口隔离调试的注意事项

1．引言

I²C总线是20世纪80年代早期由飞利浦公司开发的一种多主模式，半双工，双向双线制串行总线。该总线适用于短距离多板之间的。出于对电路系统可靠性和终端设备安全方面的考虑，I²C总线接口的隔离显得尤为重要。

I²C总线接口隔离的难点在于I²C接口的双向性。目前I²C接口隔离大多通过高速光耦及外围器件实现。但是一个完整的I²C接口需要4个光耦，这增加了隔离方案的成本及电路系统复杂性，同时光耦存在功耗高，延时长及温漂等缺点。因此，通过光耦实现I²C接口隔离，并不是一个好的选择。

本文简要介绍了I²C总线物理层的通讯原理，重点讨论了使用荣湃数字隔离器P22x系列在实现可靠I²C接口隔离的技术一些注意事项。

2．I²C总线简介

I²C总线只有两根双向线。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL，应用范围很广，详细如图一所示。

图一 I²C总线应用案例

I²C总线接口隔离的难点在于I²C接口的双向性。总线采用7位地址空间，但需要有16个保留地址，因此理论上在同一条I²C总线上，最多能有27-16个，即112个通讯节点。但是在实际使用中，通讯节点数还受I²C总线最大容许电容400PF的限制，同时也限制了通讯距离最大只有几米远。

I²C总线规定的4种模式下的通讯速率如表1所示：

表1 I²C四种模式下通讯速率

大部分的工程师在用到I²C总线是板内，或走线相对较短，当I²C双向连接的器件一端需要长线或走线出板的时候，在通讯的时候可能会发生丢码或误码的情况。I²C隔离内部原理框图如图二所示，如果I²C的其中一端连接的器件走线较长，建议连接线短的器件做从机，走线长的器件做主机，客户可以按照实际情况做调整来避免这种情况的发生。

图二 I²C内部原理

3．I²C隔离电路设计

下面着重讨论多主模式下，I²C接口隔离方案：在多主模式下，如果使用传统光耦进行隔离，由于串行数据线SDA和串行时钟线SCL都需要双向通信，因此需要4个光耦。使用荣湃半导体公司推出的Pai220N可实现多主模式下隔离。Pai220N系列是高可靠性的双通道双向I²C数字隔离器，提供符合UL1577的电气隔离耐压3000Vrms，且具有高电磁抗扰度和低辐射的特性，支持I²C接口，SMBus，PMBus等，详细如图三所示。

图三 I²C隔离原理图

技术应用工程师程忠诚先生介绍到，数字隔离器相对于光耦而言，外围电路更加简单。需要注意的是除了在VDD1/VDD2对地之间增加100nF-1uF电容，布板时尽量靠近VDD1/VDD2引脚外，为了保证产品的可靠性，防止信号过冲，增加电路的鲁棒性，建议在客户可以在I²C隔离芯片的VDD1/VDD2脚增加一个50-100欧姆的上拉电阻，详细如图四所示。

图四 I²C隔离增加上拉电阻原理图

荣湃半导体公司的代理商南京商络电子股份有限公司，其业务拓展中心副中心长孙建军先生介绍到，除了I²C隔离应用外，荣湃半导体公司已经上市多款高性能数字隔离器，综合性能优于市场上的其他竞争对手（如速度快4倍，工作电流降低5倍，延迟降低2.0倍），以及最新发布的全球最小DFN封装的数字隔离芯片，适合RS485接口通讯，CAN隔离，SPI隔离通讯等隔离应用。