ISO1540和ISO1541：低功耗双向I²C隔离器的卓越之选

在电子工程师的日常工作中，寻找高性能、可靠的隔离器来满足各种应用需求是一项关键任务。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的ISO1540和ISO1541低功耗双向I²C隔离器，了解它们的特性、应用以及设计要点。

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特性亮点

电气性能卓越

ISO1540和ISO1541具备一系列令人瞩目的电气特性。它们支持高达1-MHz的操作频率，能在3-V至5.5-V的宽电源范围内稳定工作。开漏输出在Side 1具有3.5-mA的灌电流能力，Side 2则高达35mA，能够适应不同的负载需求。此外，它们在-40°C至+125°C的宽温度范围内都能正常工作，并且具有±50-kV/µs的典型瞬态抗扰度，能有效抵御外界干扰。

静电放电保护出色

在静电放电（ESD）保护方面，所有引脚都具备4 kV的HBM ESD保护，总线引脚更是高达8 kV，这大大增强了设备在复杂环境下的可靠性，降低了因静电放电导致损坏的风险。

安全认证齐全

安全是电子设备设计中不可忽视的因素。ISO1540和ISO1541获得了多项安全相关认证，如符合DIN EN IEC 60747-17（VDE 0884-17）的4242-VPK隔离、符合UL 1577的2500-VRMS一分钟隔离、符合IEC 62368-1终端设备标准的CSA认证以及符合GB4943.1-2011的CQC基本绝缘认证。这些认证为设备在不同应用场景下的使用提供了可靠的保障。

应用领域广泛

ISO1540和ISO1541的应用场景十分丰富，涵盖了多个领域。

隔离I²C总线

在需要隔离的I²C总线应用中，它们能够有效隔离高电压，防止噪声电流干扰敏感电路，确保数据传输的稳定性和准确性。

SMBus和PMBus接口

对于SMBus和PMBus接口，这两款隔离器可以提供可靠的隔离和电平转换功能，满足不同设备之间的通信需求。

电机控制系统和电池管理

在电机控制系统和电池管理中，它们可以实现信号的隔离和电平转换，提高系统的安全性和可靠性。

详细描述与工作原理

设备概述

ISO1540和ISO1541是与I²C接口兼容的低功耗双向隔离器。它们采用了德州仪器的电容隔离技术，通过二氧化硅（SiO₂）屏障将逻辑输入和输出缓冲器分隔开来。当与隔离电源配合使用时，这些设备能够阻挡高电压，隔离接地，防止噪声电流进入本地接地，从而保护敏感电路。

通道差异

ISO1540有两个隔离的双向通道，分别用于时钟和数据线；而ISO1541则具有一个双向数据线和一个单向时钟通道。因此，ISO1541适用于单控制器应用，而ISO1540更适合多控制器应用。在目标设备可能进行时钟拉伸的应用中，应选择ISO1540。

隔离功能原理

为了隔离双向信号路径（SDA或SCL），ISO1540内部将双向线拆分为两条单向信号线，每条线通过单通道数字隔离器进行隔离。每个通道输出采用开漏设计，以符合I²C的开漏技术要求。

在SDA通道设计中，乍一看内部缓冲器的排列似乎会形成一个容易锁存的闭合信号回路，但实际上通过实现一个输出缓冲器（B），其输出低电平通过二极管压降提高到约0.75 V，以及一个由具有定义迟滞的比较器组成的输入缓冲器（C），打破了这个回路。

接收和传输方向的工作模式

• 接收方向：当I²C总线将SDA2拉低时，SDA1在接收路径上经过一定延迟后跟随。输出低电平为0.75 V的缓冲输出，足以被具有最小输入低电压为0.9 V（3 V电源电平）的施密特触发器输入检测到。当SDA2释放时，其电压电位根据RPU2和Cbus形成的时间常数向VCC2增加。经过接收延迟后，SDA1释放并也向VCC1上升，根据RPU1 × Cnode的时间常数。由于时间常数显著较低，SDA1可能在SDA2达到VCC2电位之前达到VCC1。
• 传输方向：当控制器将SDA1拉低时，SDA2在传输方向上经过一定延迟后跟随。当SDA2变低时，缓冲器B的输出也变低，但电平较高，为0.75 V。这个电平不能立即观察到，因为它被控制器的较低低电平覆盖。当控制器释放SDA1时，电压电位增加，首先必须通过比较器的上输入阈值VIHT1才能释放SDA2。SDA1继续增加，直到达到接收路径维持的0.75 V缓冲输出电平。当比较器C变高时，SDA2在传输方向上经过延迟后释放。再经过一个接收延迟，B的输出变高，完全释放SDA1向VCC1电位移动。

设计要点

电源供应

为了确保设备在数据速率和电源电压下的可靠运行，建议在输入和输出电源引脚（VCC1和VCC2）连接0.1-µF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用，可以使用如TI的SN6501设备等变压器驱动器为次级侧生成隔离电源。

PCB布局

在PCB布局方面，为了实现低电磁干扰（EMI）设计，建议使用至少四层的PCB。层堆叠顺序应为：高速信号层、接地平面、电源平面和低频信号层。将高速迹线布置在顶层可以避免使用过孔，确保隔离器与数据链路的发射和接收电路之间的干净互连。将实心接地平面放置在高速信号层旁边可以为传输线互连建立受控阻抗，并为返回电流提供低电感路径。将电源平面放置在接地平面旁边可以创建约100 pF/in²的额外高频旁路电容。将较慢速度的控制信号路由在底层可以提供更大的灵活性。

总结

ISO1540和ISO1541低功耗双向I²C隔离器凭借其卓越的特性、广泛的应用领域以及合理的设计要点，为电子工程师在隔离I²C总线等应用中提供了一个可靠的解决方案。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求和场景，合理选择和使用这两款隔离器，并注意电源供应和PCB布局等方面的要点，以确保系统的性能和可靠性。大家在使用过程中遇到过哪些问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。