探索ISO164x系列：高性能I²C隔离器的卓越之选

在电子设计领域，可靠的信号隔离对于确保系统的稳定性和安全性至关重要。特别是在涉及到I²C总线通信时，需要一种能够有效隔离信号、防止干扰的解决方案。今天，我们就来深入探讨一下ISO164x系列I²C隔离器，看看它是如何满足这些需求的。

文件下载：iso1642.pdf

ISO164x系列概述

ISO164x系列包括ISO1640、ISO1641、ISO1642、ISO1643和ISO1644等器件，它们是热插拔、低功耗的双向隔离器，与I²C接口兼容。这些器件采用了先进的技术，集成了逻辑电路，支持双向通道，相比基于光耦的解决方案，设计更加简单，占用空间更小。

主要特点

• 强大的隔离双向通信：不同型号在通信方向上有所差异，如ISO1640支持双向SDA和SCL通信，ISO1641支持双向SDA和单向SCL通信，而ISO1642/3/4除了双向SDA和SCL通信外，还集成了2或3个单向GPIO通道。
• 热插拔功能：SDA和SCL支持热插拔，方便在系统运行时进行设备的插拔操作，而不会对I²C总线造成干扰。
• 高数据传输速率：双向数据传输速率可达1.7 MHz，GPIO通道支持高达50 Mbps的速度，能够满足大多数应用的需求。
• 增强的电磁兼容性（EMC）：具有强大的隔离屏障，在450 VRMS工作电压（D - 8封装）和1500 VRMS工作电压（DW - 16封装）下，预计寿命超过100年。同时，具有高达5000 VRMS的隔离额定值（UL1577标准）、10 kV的增强浪涌能力和±100 kV/μs的典型共模瞬态抗扰度（CMTI）。
• 宽电源范围：Side 1的电源范围为3 V至5.5 V，Side 2的电源范围为2.25 V至5.5 V，能够适应不同的电源环境。
• 多种封装选项：提供16 - SOIC（DW - 16）和8 - SOIC（D - 8）两种封装形式，方便不同的设计需求。
• 工作温度范围广：可以在 - 40°C至 + 125°C的温度范围内正常工作，适用于各种工业和恶劣环境。
• 安全相关认证：计划获得UL 1577组件认可计划、DIN VDE V 0884 - 11、IEC 62368 - 1、IEC 61010 - 1、IEC 60601 - 1和GB4943.1 - 2011等认证，为系统的安全性提供保障。

应用领域

ISO164x系列器件具有广泛的应用领域，包括但不限于：

• 隔离I²C总线：在需要隔离的I²C总线系统中，如工业自动化、电力系统等，能够有效隔离不同电位的设备，防止干扰和故障传播。
• 隔离I²C和SPI总线：对于同时需要I²C和SPI通信的系统，ISO164x可以提供可靠的隔离解决方案。
• SMBus和PMBus接口：在电源管理和监控系统中，确保信号的准确传输和系统的稳定性。
• 以太网供电（PoE）：防止PoE系统中的电气干扰，提高系统的可靠性。
• 电机控制系统：隔离电机控制信号，保护控制系统免受电机产生的干扰和噪声影响。
• 电池管理系统：确保电池管理系统中数据的准确传输，提高电池的安全性和使用寿命。

器件规格详解

绝对最大额定值

在使用ISO164x系列器件时，需要注意其绝对最大额定值，以确保器件的安全运行。例如，电源电压Vcc1和Vcc2的范围为 - 0.5 V至6 V，输入/输出电压在不同引脚和条件下也有相应的限制。同时，输入/输出电流、温度等参数也有明确的规定，超过这些额定值可能会导致器件永久损坏。

ESD评级

该系列器件具有良好的静电放电（ESD）保护能力，不同引脚和条件下的ESD评级不同。例如，对于人体模型（HBM）和带电器件模型（CDM），所有引脚的ESD电压可达±6000 V，而部分总线引脚的ESD电压更高，如ISO1640/1的总线引脚（SDA2、SCL2）可达±14000 V。

推荐工作条件

为了保证器件的最佳性能，推荐的工作条件包括电源电压、UVLO阈值、输入输出信号电压等。例如，Vcc1的推荐范围为3.0 V至5.5 V，Vcc2的推荐范围为2.25 V至5.5 V。

热信息

了解器件的热信息对于合理设计散热方案非常重要。文档中给出了不同封装形式下的热阻、热特性参数等信息，如结到环境的热阻（RBJA）、结到外壳的热阻（ReJc）等。

功率额定值

不同型号的器件在不同条件下的功率额定值有所差异，包括最大功耗、单边功耗等。在设计电源和散热系统时，需要根据这些参数进行合理的规划。

绝缘规格

绝缘规格是该系列器件的重要特性之一，包括外部间隙（CLR）、外部爬电距离（CPG）、绝缘距离（DTI）、比较跟踪指数（CTI）等。同时，还规定了不同电压下的绝缘性能参数，如最大重复峰值隔离电压（VIORM）、最大隔离工作电压（ViowM）等。

安全相关认证

ISO164x系列器件计划获得多项安全相关认证，这表明它们在安全性方面具有较高的标准。例如，UL 1577认证确保了器件的隔离性能符合安全要求，DIN VDE V 0884 - 11等认证则进一步保障了器件在不同应用场景下的安全性。

详细工作原理与功能特性

隔离技术概述

ISO164x系列采用了ON - OFF键控（OOK）调制方案，通过二氧化硅基隔离屏障传输数字数据。发射器通过在屏障上发送高频载波来表示一个数字状态，而不发送信号则表示另一个数字状态。接收器在经过先进的信号调理后对信号进行解调，并通过缓冲级产生输出。此外，这些器件还采用了先进的电路技术，以最大化CMTI性能并最小化高频载波和开关引起的辐射发射。

功能特性描述

• 热插拔功能：在隔离器的Side 2包含热插拔电路，当VCC2未供电或正在供电时，可防止对I²C总线线路造成负载。在VCC2低于UVLO阈值时，总线线路不会对总线造成负载，避免干扰或损坏正在运行的I²C总线。当使用交错连接器将隔离器插入带电背板时，SDA和SCL线路会预充电至VCC2 / 2，以减少对器件寄生电容充电所需的电流。一旦器件完全上电，总线引脚将变为有源状态，提供双向、隔离的SCL和SDA线路。
• 保护功能：集成了多种保护功能，以提高器件的可靠性和稳定性。例如，在I²C总线引脚上设计了增强的ESD保护单元，可支持Side 1上的10 kV HBM ESD和Side 2上的14 kV HBM ESD。Side 2上的I²C总线引脚还能承受8 kV的无电源IEC - ESD冲击，提高了热插拔应用中的鲁棒性和系统可靠性。此外，还包括短路保护电路，可保护总线引脚（SDA2和SCL2）免受5欧姆或更小的强短路影响。同时，器件还集成了热关断功能，当结温超过190°C（典型值）时，器件会关闭，禁用I²C电路并释放总线，当结温下降到低于热关断温度至少10°C（典型值）时，关断条件将被清除。
• GPIO通道：ISO1642、ISO1643和ISO1644除了双向隔离的I²C线路外，还集成了单向隔离通道，以支持系统信号。ISO1642包括两个方向相反的通道（1/1配置），ISO1643包括两个方向相同的通道（2/0配置），ISO1644包括三个GPIO通道，其中两个方向相同，一个方向相反（2/1配置），使其可以与串行外设接口（SPI）一起使用。

应用设计与注意事项

I²C总线概述

I²C总线是一种单端、多主、两线制的总线，用于在半双工模式下进行高效的IC间通信。它使用开漏技术，通过串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）两条线与VDD连接电阻来实现通信。典型的I²C通信速率包括100 kbps（标准模式）、400 kbps（快速模式）、1.7 Mbps（快速模式加强）等。

典型应用电路

文档中给出了两个典型的应用电路示例，分别是使用MSP430G2132微控制器的隔离I²C数据采集系统和使用TMS320F28035控制器的隔离I²C和SPI数据采集系统。在这些应用中，ISO164x器件提供了系统控制器、远程传感器和执行器电路之间不同地电位的隔离，防止了地环路电流对采集数据的干扰。

设计要求与步骤

• 电源设计：推荐的电源电压范围为VCC1 3 V至5.5 V，VCC2 2.25 V至5.5 V。在VCC1和GND1引脚、VCC2和GND2引脚之间需要连接一个0.1 µF的去耦电容，以支持电源电压瞬变并确保在所有数据速率下的可靠运行。如果只有一个初级侧电源可用，可以使用TI的SN6501等变压器驱动器为次级侧生成隔离电源。
• 连接方式：ISO1640的Side 1（SDA1和SCL1）应连接到I²C网络的单个控制器或节点，Side 2（SDA2和SCL2）应连接到I²C总线。输入线SDA1和SCL1的最大允许负载为≤ 80 pF，输出线SDA2和SCL2的最大允许负载为≤ 400 pF。
• 电阻选择：输入线SDA1和SCL1到VCC1的上拉电阻应选择为使输入电流≤ 3.5 mA，输入线SDA2和SCL2到VCC2的上拉电阻应选择为使输出电流≤ 50 mA。总线线上拉电阻的最大值取决于负载和上升时间要求，以符合I²C协议。

绝缘寿命

绝缘寿命是衡量隔离器件性能的重要指标之一。ISO164x系列器件的绝缘寿命投影数据是通过行业标准的时间相关介电击穿（TDDB）测试方法收集的。根据测试结果，在8 - D封装中，绝缘的固有能力为450 VRMS，寿命超过100年；在16 - DW封装中，绝缘的固有能力为1500 VRMS，寿命超过135年。在较低的工作电压下，相应的绝缘寿命会更长。

布局建议

为了实现低EMI的PCB设计，建议使用至少四层的电路板，层堆叠顺序为：高速信号层、接地平面、电源平面和低频信号层。高速走线应布置在顶层，以避免使用过孔和引入电感，同时为数据链路的收发电路提供干净的互连。在高速信号层旁边放置实心接地平面，可建立传输线互连的受控阻抗，并为回流电流提供低电感路径。在接地平面旁边放置电源平面，可创建约100 pF/in²的额外高频旁路电容。较慢速度的控制信号应布置在底层，以提供更大的布线灵活性。如果需要额外的电源电压平面或信号层，应添加第二个电源或接地平面系统以保持堆叠的对称性，从而提高机械稳定性并增加高频旁路电容。

总结

ISO164x系列I²C隔离器以其强大的功能、卓越的性能和丰富的特性，为电子工程师在设计涉及I²C总线通信的系统时提供了一个可靠的解决方案。无论是在工业自动化、电力系统、通信设备还是其他领域，ISO164x都能够有效地隔离信号、防止干扰，提高系统的稳定性和安全性。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和设计要求，合理选择器件型号、优化电源设计、注意布局布线等方面，以充分发挥ISO164x系列器件的优势。你在使用I²C隔离器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。