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2018/08/30
I2C总线结构简单且易于实现，广泛应用于设备或模块间的连接。在某些数据采集和电源控制设备中，必须把I2C主设备与一个或多个从设备隔离开来，以便解决噪声、接地、安全等问题。本文主要介绍如何利用纳芯微电子(NOVOSENSE)生产的NSI810x系列芯片高效快速的实现I2C设备隔离。
首先我们先来了解下NSI810x系列芯片。NSI810x系列芯片为兼容I2C接口的高可靠性双向数字隔离器，其符合AEC-Q100标准，具有高电磁抗扰度和低辐射的特性。NSI810x系列产品的主要性能指标如下：
-高达5000VRMS隔离电压
-I2C时钟速率：高达2MHz
-供电电压范围：2.5V~5.5V
-高CMTI：150kV/μs
-芯片级ESD：HBM高达±6kV
-高系统级EMC性能：增强型系统级抗ESD、EFT、浪涌能力
-隔离栅寿命：>60年
NSI810x系列均包含窄体SOIC8及宽体SOIC16两种封装形式，各型号功能框图如下：
图1 NSI8100/NSI8101窄体SOIC8封装图
图2 NSI8100/NSI8101宽体SOIC-16封装图
NSI810x系列典型应用电路
NSI810x系列产品外围电路简单，只需要双端电源供电及在I2C通信引脚连接上拉电阻满足芯片的开漏驱动即可实现I2C总线的隔离（如图3）。那么，如何选取合适的上拉电阻，是该类应用电路的关键。
图3 隔离I2C外围电路
分析上拉电阻对隔离电路的影响时，需要考虑两种情况。第一种情况是当SDA1传向SDA2的信号由高电平转换为低电平时（如图3），必须保证NSI810x的输出驱动能力IO大于外部上拉电路的上拉能力IPU2，SDA2的状态才能跟随输入状态发生相应变化。
IO=15mA
IPU2≈VDD2/ RPU2
选取最大供电电压5.5V的情况，RPU2应满足如下条件：
RPU2>5.5/0.015≈370Ω
当IPU2<IO时，side2输出随输入变化为低电平状态，此时，端口信号的下降时间t保持约10ns固定状态，与负载电容的大小几乎无关。
第二种情况是当SDA1传向SDA2的信号由低电平转换为高电平时，由于NSI810x系列的开漏驱动特性，SDA2的状态由外部上拉电路决定。此外，由于电路中对地负载电容与上拉电组的RC电路的充电效应，使得side2输出恢复高电平的时间（tPLH12）与除了与隔离电路传播延时（tLH12）有关，还与该RC电路的充放电时间有关（tRC），即
tPLH12= tLH12+ tRC
在相同的负载电容情况下，上拉电阻越大，tRC 就越大，导致输出上升时间就越长。又由于其下降时间不随RC的大小发生变化，因此，过大的上拉电阻可能会导致输出信号的占空比发生改变。当信号速率越高，信号链越长，该状况引起的危害越大。
由SDA2向SDA1发送信号时的状况与此类似，在此不进行赘述。
图4 隔离I2C信号传输波形
由上述可知，在满足芯片能够正常工作的前提下，从信号完整性的角度来说，上拉电阻的阻值取得越小越好。但在系统级应用中，我们还需要更全面的考虑其带来的影响。当我们选取的上拉电阻阻值越小，信号端被驱动低电平状态时，该电阻在系统中消耗的功耗就越大。因此，在实际应用中，我们应该在满足信号有效传输的前提下，选取最大的上拉电阻以减小功耗。
NSI810x系列实现防闩锁双向通信的原理
图5低电平闩锁电路等效图
一个双向传输的隔离通道可利用两个反向传输的数字隔离通道组成。然而，如果单纯的将两个反向通道相连，那么任何一端的总线状态会由外界输入和另一端的传输信号相与得到。当有一端外界输入低电平信号时，总线状态将会锁死为低电平状态而无法释放，其等效电路状态如图5所示。
为了解决这种问题，NSI810x在side1端增加内部偏置电路，当side2发送低电平信号至side1时，该电路将低电平信号拉高至VOL1，对通常的COMS或TTL电平来说，该电压还是被判定为低电平，但对于NSI810x芯片来说，VOL1在side1端作为输入则会被识别为高电平传输到side2，从而起到了解除低电平闩锁的目的。
以下是side1端发送信号电平转换的几种情况：
I）、side1发送信号由高电平转换为低电平
l 由外部信号向side1发送低电平信号（step1）
l 经过隔离通道的传播延时时长(tPHL12)，低电平信号传送至side2（step2）;
l 再经过隔离通道传播延时时长(tPHL21)，side2的低电平信号再次回传至side1(step3)
l side1的实际信号为外部输入信号(step1)与side2回传的信号(step3)相与。因此，在外部输入信号由高变低时，实际信号由高变低（step4）。
II）、side1发送信号由低电平转换为高电平
l 由外部信号向side1发送高电平信号(step1);
l 经过隔离通道的传播延时时长(tPLH12), side2端状态由上拉电阻拉高(step2);
l 再经过隔离通道传播延时时长(tPLH21),side2的高电平信号再次回传side1(step3)
l side1的实际信号为外部输入信号(step1)与side2回传的信号(step3)相与。因此，当外部输入信号由低变高时，需经过tPLH12+ tPLH21时长的VOL1,才会再变为高电平信号（step4）。
III）、side2发送信号由高电平转换为低电平
l 由外部信号向side2发送低电平信号(step2);
l 经过隔离通道传播延时时长(tPHL21), 低电平信号传送至side1，由于此时side1信号电平VOL1>VIH1，低电平信号不再次进行回传(step3)。
IV）、side2发送信号由低电平转换为高电平
l 由外部信号向side2发送低电平信号(step2);
l 经过隔离通道传播延时时长(tPLH21), side1的状态由外部上拉电阻拉高至高电平状态(step3)
图6 信号传输过程
NSI810x VS.传统光耦I2C隔离电路
图7左侧为使用4个光耦芯片及复杂的外围电路搭建的I2C端口隔离电路，其所需器件产生的成本、电路的复杂度及PCB空间的增加都将大大限制I2C的隔离应用。相比之下， NSI810x仅需单颗芯片及用于电源的旁路电容即可实现I2C接口隔离。
图7 传统光耦I2C隔离电路
除此之外，NSI810x系列芯片的各项功能指标也远优于光耦隔离电路（如表1所示）
表1 传统光耦与NSI810x性能比较
总结
目前针对市面上不同的应用电路虽然有多种实现I2C系统隔离的方法，但NSI810x系列集成隔离I2C器件可实现将SDA与SCL双路I2C隔离及其外部电路集成在同一个芯片内，使得I2C隔离应用电路更加简单，且具有速度快、隔离电压高、抗共模能力强、可靠性高等优点。此外，NSI810x系列芯片P2P兼容目前市面上已有的I2C隔离器件，可帮助工程师以更低的成本实现高性能的I2C系统隔离功能。
