對I2C信號和SMBus信號進(jìn)行無(wú)毛刺快速隔離的方法

　　i2c 是一種流行的串行協(xié)議，適用于電源控制器、adc、dac、eeprom 以及其他器件。在某些數據采集和電源控制設備中，您必須把 i2c主設備與一個(gè)或多個(gè)從設備隔離開(kāi)來(lái)，以便解決噪聲、接地和安全等問(wèn)題。另外，雖然可以把 128 個(gè)外設連接到總線(xiàn)，但在某一部位，地電位差和總線(xiàn)電容過(guò)大會(huì )使噪聲余量和定時(shí)余量變小。本設計思路表明如何利用用一種符合 400khz 增強型 i2c 總線(xiàn)規范要求的方法，對 i2c 或 smbus 信號進(jìn)行快速的、無(wú)毛刺光隔離。i2c 總線(xiàn)由雙向時(shí)鐘和數據線(xiàn)(scl 和 sda)組成，scl和sda 均用電阻器或電流源來(lái)拉高電平。各器件均用集電極開(kāi)路的i/o 引腳連接到總線(xiàn)。有一種隔離i2c信號的辦法是用圖1所示電路的變種來(lái)實(shí)現的，圖1僅僅示出了 sda;scl 工作原理與sda相同。

　　圖1，本電路是一種簡(jiǎn)單的i2c隔離器。

　　圖 1 所示電路的工作原理是，把非隔離 的sda 線(xiàn)路電位拉低的一個(gè)器件會(huì )使一個(gè)光耦合器 led導通，從而使隔離的 sda 線(xiàn)路電位拉低，并使隔離側的光耦合器 led不工作，反之亦然。然而，如果隔離勢壘兩側的器件正在拉低各自的 sda 線(xiàn)路的電位，則這些光耦合器就處于一種不確定狀態(tài)，兩個(gè) led 部分導通。當非隔離的器件釋放其 sda 線(xiàn)路時(shí)，sda線(xiàn)路上的電壓上升，直到隔離側的 led 能夠完全導通為止。只有這樣，非隔離的 sda 線(xiàn)路才會(huì )再次變?yōu)榈碗娖?。這種情況在i2c通信期間的各個(gè)時(shí)候都會(huì )發(fā)生，其中包括時(shí)鐘同步(在 scl 線(xiàn)路上)、多主設備仲裁、smbus 中斷仲裁(在 sda 線(xiàn)路上)。圖 2 示出了圖 1 所示電路的工作細節。 74hc125 三態(tài)非反相緩沖器仿真兩個(gè) i2c 器件的漏極開(kāi)路輸出。 線(xiàn)上的邏輯低電平迫使輸出端變?yōu)榈碗娖?，而邏輯高電平則使輸出端處于高阻抗狀態(tài)。波形1 和波形 2 表示 sda緩沖器 和隔離的 sda 緩沖器的使能線(xiàn)的輸入信號。波形3 和波形 4 則分別表示相應的輸出信號。

　　圖2，簡(jiǎn)單的 i2c 隔離器在某些情況下會(huì )產(chǎn)生大量毛刺。

　　這類(lèi)電路以多種形式發(fā)表在報刊上，而且通常配有需要 5 ~ 10 ma led 驅動(dòng)電流的慢速光耦合器。這些電路可在有限的設備中使用，但它們速度慢，而且仍然會(huì )產(chǎn)生毛刺。試圖用高速元件來(lái)克服速度問(wèn)題和驅動(dòng)問(wèn)題，只會(huì )使這些電路變得幾乎無(wú)法使用。圖 1 所示電路使用需要 500ma led 驅動(dòng)電流的高速 hcpl2300 光耦合器。如果兩條 sda 線(xiàn)都保持為低電平，然后同時(shí)釋放，則兩個(gè)光耦合器就會(huì )互相對抗，形成振蕩器(圖 3)。這種振蕩的特性取決于上拉電阻、供電電壓和電容型數據線(xiàn)路(去掉 9pf 示波器探頭中的一個(gè)，就會(huì )使振蕩停止，而用一個(gè) 10pf 電容器代替這一探頭，就會(huì )再次開(kāi)始振蕩)。

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　　圖3，在圖1所示電路中使用高速元件會(huì )導致不可預測的行為。

　　圖4，改進(jìn)的i2c隔離器速度快，不會(huì )產(chǎn)生毛刺。

　　圖 4 所示電路通過(guò)建立“高”(上拉至 5v)、“拉低”和“被拉低”三種邏輯電平來(lái)解決這些問(wèn)題。當兩側都處于空閑高電平時(shí)，兩個(gè)光耦合器均關(guān)斷。當某一側把其sda線(xiàn)拉至低于 0.4v(適合于集電極開(kāi)路輸出和漏極開(kāi)路輸出的安全假定值)時(shí)，比較器使其 led導通。另一側的sda線(xiàn)拉低至大約 0.6v，這仍被解釋為邏輯低電平，但不會(huì )導致那一側的 led 導通。當兩側均在拉低各自sda線(xiàn)電平時(shí)，兩個(gè) led 都導通。在這種狀態(tài)下，如果一側釋放其sda線(xiàn)，那么它會(huì )很明顯地從 i2c器件輸出的低電平升至大約 0.6v。

　　圖5，這一示波器照片示出了改進(jìn)的i2c隔離器的工作情況。

　　圖 5 示出了圖 4 所示電路的工作細節。lt1719 比較器和 agilent公司 (http://www.agilent.com/)的 hcpl2300 光隔離器的組合，能滿(mǎn)足 400khz 增強 i2c 總線(xiàn)規范的定時(shí)要求?？倐鬏斞舆t大約為 100 納秒，因此您可以調節邏輯閾值來(lái)適應其它要求。雖然您可以使用該電路來(lái)使sda 和 scl 線(xiàn)支持時(shí)鐘完全同步，但只要主設備的通信速度不快于最慢的從設備，就不必使用這種額外的電路。如果您不需要時(shí)鐘同步，則您可在scl中 使用一個(gè)光耦合器。