ISO164x热插拔双向I2C隔离器：特性、应用与设计要点

在电子工程师的日常设计中，可靠的通信隔离器件至关重要。ISO164x热插拔双向I2C隔离器凭借其卓越的性能和丰富的特性，成为了众多应用场景中的理想选择。今天，我们就来深入探讨一下这款隔离器的相关内容。

文件下载：iso1640.pdf

一、ISO164x的特性亮点

1. 可靠的隔离式双向I2C通信

ISO164x支持可靠的隔离式双向I2C兼容型通信。其中，ISO1640实现隔离式双向SDA和SCL通信，而ISO1641则是双向SDA和单向SCL通信。它还具备热插拔功能，双向数据传输运行频率高达1.7MHz，能够满足大多数高速通信的需求。

2. 增强EMC且稳健的隔离栅

• 长寿命与高隔离等级：在450V RMS工作电压下（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，为系统提供了长期稳定的隔离保护。
• 强大的浪涌和ESD防护能力：浪涌能力高达10kV（增强型），CMTI典型值为 ±100kV/μs，能有效抵御各种瞬态干扰。同时，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，大大提高了系统的可靠性。
• 宽电源电压范围：电源电压范围为3V至5.5V（1侧）；2.25V至5.5V（2侧），适应不同的电源环境。开漏输出为3.5mA（1侧），而灌电流为50mA（2侧），最大容性负载为80pF（1侧）和400pF（2侧），能满足不同负载的需求。
• 多种封装与工作温度范围：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，适用于各种恶劣的工业环境。
• 安全相关认证：计划获得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认证，为产品的安全性提供了有力保障。

二、ISO164x的应用领域

1. 隔离式I2C总线

可用于系统管理总线 (SMBus) 和电源管理总线 (PMBus) 接口，实现不同模块之间的可靠通信，避免信号干扰和地电位差带来的问题。

2. 以太网供电 (PoE)

在PoE系统中，ISO164x能够隔离不同电压域之间的通信，确保数据传输的稳定性，同时保护设备免受高压冲击。

3. 电机控制系统和电池管理

在电机控制系统中，它可以隔离控制信号和功率信号，提高系统的抗干扰能力；在电池管理系统中，可实现电池模块与主控单元之间的可靠通信，保障电池的安全和高效运行。

三、ISO164x的设计要点

1. 电源设计

推荐的电源供应电压VCC1为3V至5.5V，VCC2为2.25V至5.5V。在VCC1和GND1引脚、VCC2和GND2引脚之间需要连接一个0.1µF的去耦电容，以支持电源电压的瞬态变化，并确保在所有数据速率下都能可靠运行。同时，TI建议在输入和输出电源引脚（VCC1和VCC2）连接一个1µF的旁路电容，并将其尽可能靠近电源引脚放置。如果应用中只有一个初级侧电源，可借助变压器驱动器（如TI的SN6501设备）为次级侧生成隔离电源。

2. 电路连接

虽然ISO1640具有双向数据通道，但为了实现最佳性能，建议将侧1（SDA1和SCL1）连接到I2C网络的单个控制器或节点，而侧2（SDA2和SCL2）连接到I2C总线。电源电容应尽可能靠近电源引脚放置，推荐的电容放置位置距离输入和输出电源引脚最大为2mm。输入线SDA1和SCL1的最大允许负载为 ≤80pF，输出线SDA2和SCL2的最大允许负载为 ≤400pF。输入线SDA1和SCL1到VCC1的最小上拉电阻应选择为使输入电流 ≤3.5mA，输入线SDA2和SCL2到VCC2的最小上拉电阻应选择为使输出电流 ≤50mA。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。

3. PCB布局

为了实现低EMI的PCB设计，至少需要四层板。层叠顺序应为：高速信号层、接地层、电源层和低频信号层。将高速走线布置在顶层可以避免使用过孔，从而减少电感的引入，并确保隔离器与数据链路的发射器和接收器电路之间的互连清晰。在高速信号层旁边放置一个实心接地层，可以为传输线互连建立受控阻抗，并为回流电流提供低电感路径。将电源层放置在接地层旁边，可以创建约100pF/in²的额外高频旁路电容。将低速控制信号布置在底层可以提供更大的灵活性，因为这些信号链路通常有一定的余量来容忍过孔等不连续性。如果需要额外的电源电压层或信号层，可以在层叠中添加第二个电源或接地层系统，以保持对称性，使层叠结构机械稳定，防止翘曲，并显著增加高频旁路电容。对于详细的布局建议，可参考《Digital Isolator Design Guide (SLLA284)》。

四、ISO164x的绝缘寿命

绝缘寿命预测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。在该测试中，将隔离栅两侧的所有引脚连接在一起，形成一个两端子设备，并在两侧施加高压。对于基本绝缘，VDE标准要求使用故障率低于1000 ppm的TDDB投影线；对于加强绝缘，要求使用故障率低于1 ppm的TDDB投影线。尽管预期的最小绝缘寿命为20年，但在指定的工作隔离电压下，VDE基本和加强认证要求工作电压有20%的额外安全裕度。对于基本认证，设备寿命需要30%的安全裕度，即在比指定值高20%的工作电压下，最小绝缘寿命为26年；对于加强绝缘，设备寿命需要87.5%的安全裕度，即在比指定值高20%的工作电压下，最小绝缘寿命为37.5年。根据TDDB数据，8 - D封装的绝缘固有能力为450 VRMS，寿命超过100年；16 - DW封装的绝缘固有能力为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。

五、总结

ISO164x热插拔双向I2C隔离器以其出色的特性、广泛的应用领域和明确的设计要点，为电子工程师提供了一个可靠的通信隔离解决方案。在实际设计中，我们需要充分考虑其特性和要求，合理进行电源设计、电路连接和PCB布局，以确保系统的稳定性和可靠性。同时，对于绝缘寿命的考虑也有助于我们在长期使用中保障设备的性能。希望本文能为大家在使用ISO164x进行设计时提供一些有价值的参考。你在使用类似隔离器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。