設(shè)計一個屬于您自己的簡易I2C隔離器

通常產(chǎn)品設(shè)計時間非常緊張，用于新產(chǎn)品設(shè)計的資金也并不寬余。但不管怎樣，我們都必須要在不增加成本的前提下設(shè)計出能夠運行于惡劣環(huán)境下的穩(wěn)健系統(tǒng)。一般而言，這會要求使用電流隔離，用于保護敏感控制電子組件免受外部突入和瞬態(tài)浪涌電流的損害。

　　如果您的設(shè)計涉及許多工業(yè)接口，那么當您在各大半導(dǎo)體廠商的官方網(wǎng)站上看到琳瑯滿目的RS-485、RS-232、CAN和I2C信號隔離器時，您會發(fā)現(xiàn)自己像一個進到糖果店里的小孩一樣興奮不已。但是，當您想要采購經(jīng)理批準購買這些產(chǎn)品時，他會立馬給您潑上一盆冷水：“不能利用一些已有的標準組件嗎?不管用什么方法，把它們都利用起來?”

　　今后碰到這種情況，您可以熱情洋溢的回答“沒問題”了，因為本文將為您介紹一小部分工業(yè)接口電路，它們幾乎都只使用一個標準隔離器。圖 1-4 顯示了工業(yè)應(yīng)用中最為常見的數(shù)字接口的簡化示意圖。

　　請注意，為了便于說明，我們省略了旁路電容器和上拉/下拉電阻器。首批三個電路都有一個異步數(shù)據(jù)傳輸模式，其使用兩條數(shù)據(jù)線路和一條控制線路，用于驅(qū)動器/接收器激活。這樣，在節(jié)點控制器和標準兼容收發(fā)器芯片之間便只需一個三重隔離器了。

　　圖 4 所示隔離式 I2C(inter-integrated circuit，IIC)表示一種特殊情況，因為它支持僅有幾英寸長的短通信鏈路，因此不需要線路收發(fā)器。在一些多主機應(yīng)用中，兩個節(jié)點會同時訪問總線。為了防止信號轉(zhuǎn)回其源，我們使用一個雙向緩沖器來支持從R(x,y) 到 S(x,y) 的接收傳輸以及 S(x,y) 到 T(x,y) 的發(fā)送傳輸，而非R(x,y) 到 T(x,y) 的直接回環(huán)。

　　幸運的是，多主機設(shè)計只是少數(shù)情況，大多數(shù)都是單主機應(yīng)用。因此，我們可以極大地簡化圖 4 所示電路。

　　由于是單主機，時鐘信號 (SCL) 僅需單向傳輸，從而將時鐘隔離減少至一條通道。然后，用一個晶體二極管開關(guān)代替雙向緩沖器，這樣隔離層(圖 5)每端將電路簡化至我們的標準三重隔離器(圖 6)。

圖 5 利用晶體管開關(guān)隔離發(fā)送和接收路徑

　　在待機模式下，隔離器輸入 A 和 C 通過 R2 和 R4 被拉至高電平，推高輸出 B 和 D。另外，主和從數(shù)據(jù)線路(SDA1 和 SDA2)通過 RPU1 和 RPU2 被拉至高電平。當主機通過拉低 SDA1 開始通信時，Q1 發(fā)射極結(jié)點被正向偏置，而 Q1 將輸入 A 拉至低電平。輸出B 跟著變?yōu)榈碗娖?，并正向偏?D2。D2 拉低 SDA2。與此同時，Q2 發(fā)射極結(jié)點被反向偏置，并且 Q2 保持高阻抗。開關(guān)順序相同，僅在從數(shù)據(jù)線路響應(yīng)時反向。

　　圖 6 單主機應(yīng)用隔離式I2C總線接口