詳解I2C總線電平轉(zhuǎn)換芯片在安防產(chǎn)品的應(yīng)用

眾所周知，現(xiàn)在CPU供電電壓有越來越低的趨勢，然而外圍功能模塊的供電電壓跟不上CPU供電電壓下降的速度，因此近些年來，電子產(chǎn)品中出現(xiàn)電平不匹配的情況越來越多，常見的解決方法有以下幾種：

1.晶體管+上拉電阻法

就是一個雙極型三極管或MOSFET，C/D極接一個上拉電阻到正電源，輸入電平很靈活，輸出電平大致就是正電源電平。

2.OC/OD器件+上拉電阻法

和第一種非常類似，適用于器件輸出剛好為OC/OD的場合。

3.電阻分壓法

最簡單的降低電平的方法，假設(shè)幅值5V電平，經(jīng)1.6k+3.3k兩個電阻對地分壓，就是3.3V.

4.專用電平轉(zhuǎn)換芯片

把所有功能都集成在一顆芯片內(nèi)，并在芯片內(nèi)部做邊沿處理，體積小，速度快。

下面就著重講一下電平轉(zhuǎn)換芯片。所謂電平轉(zhuǎn)換芯片就是能連接兩個不同供電電壓的IC或是模塊，解決這些IC或是模塊的系統(tǒng)供電問題，使這些IC或模塊能正常通信。一般評價一種電平轉(zhuǎn)換芯片的性能可以從以下幾個方面出發(fā)：

1.解決電平匹配的能力，不簡單于電平的轉(zhuǎn)換，還有噪聲容限等抗干擾問題。

2.轉(zhuǎn)換速度，主芯片速率不斷提升，要保證傳輸信號的完整性。

3.電源時序的控制。

4.驅(qū)動能力。

圖1：電平轉(zhuǎn)換芯片應(yīng)用示意圖

上圖中的電平轉(zhuǎn)換芯片是雙電源邏輯器件，常見的雙電源電平轉(zhuǎn)換芯片包括單方向轉(zhuǎn)換、帶方向控制的雙向轉(zhuǎn)換(獨立的方向控制引腳)、自動感應(yīng)雙向轉(zhuǎn)換，其中自動感應(yīng)雙向轉(zhuǎn)換還包括推挽式和漏極開路式(I2C等應(yīng)用)兩種輸出形式。

圖2：雙向自動感應(yīng)推挽輸出結(jié)構(gòu)圖

圖3：雙向自動感應(yīng)漏極開路輸出結(jié)構(gòu)圖

圖2和圖3是英聯(lián)半導(dǎo)體公司兩種輸出形式的雙向自動感應(yīng)電平轉(zhuǎn)換芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，下面簡單介紹一下芯片的工作方式，圖2是推挽輸出，這種輸出方式要求A、B端口不接上拉或下拉電阻，假如特定情況必須有上下拉電阻，那么阻值必須大于50k歐姆，否則A、B端口可能檢測不到高電平或者低電平。圖3是漏極開路輸出，主要應(yīng)用于I2C、SPI等IO口需要有上拉電阻的應(yīng)用。也可以兼容推挽的應(yīng)用，但是于推挽傳輸速度相對較慢。結(jié)構(gòu)圖中的One-Shot是處理邊沿的內(nèi)部功能電路，能提升轉(zhuǎn)換速度。兩種都不需要方向引腳控制，能自動檢測出IO端口的輸入輸出形式。英聯(lián)電子的雙向自動感應(yīng)電平轉(zhuǎn)換芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中，包括手機、POS機、行車記錄儀、安防系統(tǒng)等。

UM3212是一款支持I2C總線和SMBUS的自動雙向，帶使能端的電平轉(zhuǎn)換芯片。

圖4：UM3212典型應(yīng)用線路

支持1.0V-3.6V(VREF1)和1.8V-5.5V(VREF2)的工作范圍。EN是開關(guān)使能端，參考電平是VREF2.EN為高，內(nèi)部SW處于導(dǎo)通狀態(tài)，SCL1、SDA1分別連接到SCL2、SDA2，允許數(shù)據(jù)雙向傳輸，內(nèi)部的SW有非常小的導(dǎo)通電阻，因此信號傳輸延時非常小。當(dāng)EN為低，SW被關(guān)閉，端口是高阻態(tài)。

作為標(biāo)準(zhǔn)的I2C系統(tǒng)，UM3212提供一個標(biāo)準(zhǔn)的集電極開路I2C總線，通過上拉電阻為中心提供邏輯高電平。上拉電阻的大小與系統(tǒng)傳輸速率有關(guān)，但轉(zhuǎn)換器必須有上拉電阻。UM3212可以連接到標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式和快速模式Plus的I2C總線器件和SMBUS器件，最大頻率取決于RC時間常數(shù)，可支持2MHz以上的時鐘頻率。

下面是UM3212在IPC中的應(yīng)用。

IPC(IP Camera)現(xiàn)在已經(jīng)不局限于工業(yè)交通領(lǐng)域的使用，因為可以無線連接，方便使用，已經(jīng)開始進(jìn)入千家萬戶，有成為消費類電子產(chǎn)品的趨勢。

圖5：IPC結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)在市場IPC主平臺競爭激烈，海思、TI、NXP、SONY等一線品牌都推出高清IPC解決方案。在很多高清IPC方案中，IPC的圖像傳感器是使用I2C和主平臺通信，很多型號的傳感器都會存在和主平臺供電電壓不匹配的情況。

圖6：TI DM365和MT9P031通信示意圖

上圖DM365平臺和CMOS傳感器之間是I2C通信，需要一顆電平轉(zhuǎn)換芯片解決電壓不匹配問題。

UM3212是提供了一個很好的解決方案。

UM3212除了在IPC中有廣泛的應(yīng)用，還在門禁、可視電話、行車記錄儀、GPS等安防產(chǎn)品都有廣泛的應(yīng)用。