ISO164x热插拔双向I2C隔离器：设计与应用全解析

在电子工程师的日常设计工作中，I2C总线隔离器是一个常用且关键的组件。今天，我们就来深入探讨一下TI的ISO164x热插拔双向I2C隔离器，看看它在实际设计中能为我们带来哪些便利和优势。

文件下载：iso1641.pdf

一、ISO164x特性亮点

1.1 可靠的隔离式双向通信

ISO164x系列包含ISO1640和ISO1641两款器件。ISO1640实现了隔离式双向SDA和SCL通信，而ISO1641则是双向SDA和单向SCL通信。这种设计使得它们能够很好地适应不同的I2C通信需求，并且支持热插拔SDA和SCL，双向数据传输运行频率高达1.7MHz，能满足大多数高速通信场景。

1.2 增强的EMC与稳健的隔离栅

在隔离性能方面，ISO164x表现出色。在450V RMS工作电压（D - 8封装）和1500VRMS工作电压（DW - 16封装）下，预计使用寿命会超过100年。隔离等级达到5000VRMS，浪涌能力高达10kV（增强型），CMTI典型值为 ±100kV/μs，还在整个隔离栅提供 ±8kV IEC - ESD 61000 - 4 - 2接触放电保护，在SCL2和SDA2（2侧）上的同一侧具有 ±8kV IEC - ESD未上电接触放电保护。这些特性使得它在复杂的电磁环境中也能稳定工作。

1.3 宽电源电压范围与灵活封装

电源电压范围为3V至5.5V（1侧）和2.25V至5.5V（2侧），具有较好的兼容性。开漏输出为3.5mA（1侧），灌电流为50mA（2侧），最大容性负载分别为80pF（1侧）和400pF（2侧）。同时提供16 - SOIC（DW - 16）和8 - SOIC（D - 8）封装选项，工作温度范围为 - 40°C至 + 125°C，能适应不同的应用环境。此外，它还计划通过UL 1577组件认证计划以及DIN VDE V 0884 - 11、IEC 62368 - 1、IEC 61010 - 1、IEC 60601 - 1和GB4943.1 - 2011等认证，为设计的安全性提供保障。

二、ISO164x应用场景

2.1 隔离式I2C总线相关应用

在隔离式I2C总线、系统管理总线（SMBus）和电源管理总线（PMBus）接口中，ISO164x能够有效地隔离不同部分的电路，防止干扰和噪声的传播，保证数据传输的准确性和稳定性。

2.2 以太网供电（PoE）

在PoE系统中，ISO164x可以隔离电源和数据信号，提高系统的可靠性和安全性，避免电源干扰对数据传输的影响。

2.3 电机控制系统与电池管理

在电机控制系统和电池管理中，ISO164x可以隔离不同的控制信号和传感器信号，减少相互之间的干扰，提高系统的控制精度和电池管理的效率。

三、ISO164x详细说明

3.1 器件信息与隔离选项

ISO1640和ISO1641有不同的封装选项，如ISO1640BD和ISO1641BD采用8 - SOIC封装，ISO1640DW采用16 - SOIC封装。不同封装在隔离性能上也有所差异，例如16DW封装的额定隔离为5000 VRMs，而8D封装为3000VRMs。

3.2 引脚配置与功能

ISO1640和ISO1641的引脚功能明确，包括GND1、GND2用于接地，SCL1、SCL2用于串行时钟信号，SDA1、SDA2用于串行数据信号，VCC1、VCC2用于供电等。在设计时，需要根据实际需求正确连接这些引脚，以确保器件正常工作。

3.3 规格参数

3.3.1 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值非常重要，例如电源电压范围、输入/输出电压和电流范围、温度范围等。超过这些额定值可能会导致器件永久性损坏，因此在设计时必须严格遵守。

3.3.2 ESD额定值

ISO164x具有较好的ESD防护能力，不同引脚的ESD额定值不同。例如，ISO1640/1的总线引脚（SDA1、SCL1）的HBM ESD为 ±10000V，SDA2、SCL2为 ±14000V。这有助于提高器件在实际应用中的抗干扰能力。

3.3.3 推荐工作条件

推荐工作条件规定了器件正常工作的电压、电流、负载等参数范围。例如，VCC1的推荐电压范围为3.0V至5.5V，VCC2为2.25V至5.5V，I2C工作频率最大为1.7MHz等。在设计时，应尽量使器件工作在推荐条件下，以保证其性能和可靠性。

3.3.4 其他参数

还包括热信息、功率额定值、绝缘规格、电气特性、时序要求等参数。这些参数对于深入了解器件的性能和进行精确的设计非常关键。例如，绝缘规格中的最大重复峰值隔离电压、最大隔离工作电压等参数，直接影响到器件的隔离性能和使用寿命。

四、ISO164x应用与设计要点

4.1 I2C总线概述

I2C总线是一种单端、多主、2线的半双工通信总线，采用开漏技术，通过SDA和SCL两条线进行数据传输。它支持不同的通信速度，如标准模式（0 - 100 kbps）、快速模式（0 - 400 kbps）、快速模式加（0 - 1 Mbps）和高速模式（0 - 3.4 Mbps）。在使用ISO164x时，需要了解I2C总线的工作原理和通信协议，以便正确地进行设计。

4.2 典型应用案例

以隔离式I2C数据采集系统为例，ISO164x可以提供所需的隔离，防止不同接地电位之间的地环路电流影响数据采集的准确性。在设计时，需要注意电源供应、电容配置、负载匹配等问题。例如，推荐在VCC1和GND1、VCC2和GND2之间连接0.1µF的去耦电容，以支持电源电压瞬变和确保在所有数据速率下的可靠运行。

4.3 设计要求与详细设计步骤

在设计过程中，要确保电源供应符合推荐的电压范围，合理选择电容和电阻，控制负载电容在允许范围内。例如，输入线SDA1和SCL1的最大负载电容 ≤80 pF，输出线SDA2和SCL2 ≤400 pF。同时，要注意输出波形的低VOL1电压偏移，这是为了防止器件出现锁存状态。

4.4 绝缘寿命

绝缘寿命是一个重要的指标，ISO164x通过TDDB测试方法来收集绝缘寿命投影数据。在不同的封装和工作电压下，其绝缘寿命有所不同。例如，8 - D封装在450 VRMS工作电压下，寿命超过100年；16 - DW封装在1500 VRMS工作电压下，寿命超过135年。在设计时，需要根据实际需求考虑绝缘寿命，以确保系统的长期可靠性。

五、总结

ISO164x热插拔双向I2C隔离器以其出色的隔离性能、可靠的通信能力和灵活的设计选项，为电子工程师在I2C总线隔离设计中提供了一个优秀的解决方案。在实际设计过程中，我们需要深入了解其特性、规格参数和应用要求，严格按照设计要点进行操作，才能充分发挥其优势，设计出稳定、可靠的电子系统。希望本文能对大家在ISO164x的设计应用中有所帮助，你在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。