荣湃提供多种I2C接口隔离方案，提升电路系统可靠性和终端设备安全
I2C总线是20世纪80年代早期由飞利浦公司开发的一种多主模式，半双工，双向双线制串行总线。该总线适用于短距离多电路板之间的通信。出于对电路系统可靠性和终端设备安全方面的考虑，I2C总线接口的隔离显得尤为重要。
I2C总线接口隔离的难点在于I2C接口的双向性。目前I2C接口隔离大多通过光耦及外围器件实现。但是一个完整的I2C接口需要4个光耦，这增加了隔离方案的成本及电路系统复杂性，同时光耦存在功耗高，延时长及温漂等缺点。因此，通过光耦实现I2C接口隔离，并不是一个好的选择。本文简要介绍了I2C总线物理层的通讯原理，重点讨论了使用荣湃数字隔离器，实现可靠I2C接口隔离的技术方案。
I2C总线简介：如图1所示，I2C总线由串行时钟线（SCL）与串行数据线（SDA）连接至通讯节点上，并通过上拉电阻RD与RC接至供电电源VDD。需要上拉电阻的原因在于，I2C总线采用开漏输出技术。即逻辑0时，开关管导通，把总线拉低至地；逻辑1时，开关管关闭，需要外接上拉电阻，使总线接至VDD。
图1 I2C总线接口示意图
I2C总线采用7位地址空间，但需要有16个保留地址，因此理论上在同一条I2C总线上，最多能有27-16个，即112个通讯节点。但是在实际使用中，通讯节点数还受I2C总线最大容许电容400PF的限制，同时也限制了通讯距离最大只有几米远。
I2C总线规定的4种模式下的通讯速率如表1所示。
表1 I2C 4种模式下通讯速率
I2C总线是一种多主模式，双向双线制串行总线。其多主模式表示与总线相连接的每一个节点既可以是主机也可以是从机。但在实际工程应用中，有单主模式（一个主机控制多个从机）和多主模式（多个主机相互通信）两种情况。由于I2C总线的串行时钟线（SCL）只能由主机发出信号，因此在单主模式下，SCL为单向的，而多主模式下，SCL为双向的。而不论节点是主机还是从机，都具有在总线上写入和读取数据的能力，因此两种模式下串行数据线（SDA）都是双向的。
单主模式下，I2C接口隔离方案：出于对电路系统可靠性和终端设备安全方面的考虑，需要在I2C总线与节点之间加隔离电路。在单主模式下，如果使用传统光耦进行隔离，则SDA隔离需要2个光耦，SCL隔离需要1个光耦，共3个光耦，增加了隔离方案的成本和复杂性。如图2所示，为单主模式下，使用荣湃隔离器件π131M41（SOP16封装）1片及少量外围电路的隔离方案，以简单的电路可靠实现I2C接口隔离。
图2 单主模式下，I2C接口隔离方案
如图2所示，VDD1侧接主机控制器，VDD2侧接I2C总线。在单主模式下，串行时钟线(SCL)是单向的。下面重点对串行数据线（SDA）的双向通讯做详细解析。
当I2C总线侧SDA2拉低时，通过数字隔离器U1、肖特基二极管D3及电阻R6拉低SDA1点电压。该点电压具有的特点是：既要能被主控制器识别为低电压，同时必须高于Q1的基极电压，使Q1截至。图中R3、R4及二极管D1提供基极电压，二极管D1用于作温度补偿,R6及D3的压降提供能关断Q1的低电压。Q1截至后，U1的13脚跟随4脚的高电压，使肖特基二极管D2截至，不影响总线侧SDA2释放回到高电压。
当总线侧SDA2被释放回到高电压，经过一个传播延时后，二极管D3截止，主控制器侧SDA1跟随总线侧SDA2回到高电压。该传播延时主要由隔离器的上升沿和下降沿决定。
当主控制器侧SDA1被拉至低电压时，此低电压小于开关管Q1的基极电压，Q1导通，则U1的4脚被开关管拉低，U1的13脚跟随4脚为低电压，二极管D2导通，总线侧SDA2被拉低至低电压。虽然U1的5脚跟随12脚变为低电压，但是由于二极管D3和电阻R6的存在，并不会把SDA1一直锁定在低电压。
当主控制器侧SDA1释放后回到高电压，开关管Q1由导通转为截至，隔离器U1的4脚转为高电压，13脚跟随4脚输出高电压，从而二极管D2截至，总线侧SDA2被释放回到高电压。该过程延时由Q1由导通转为截至的时间和隔离器的上升沿和下降沿共同决定。
对于单主模式下的I2C接口隔离，荣湃半导体产品π131M41的隔离方案，比传统光耦隔离成本低，电路简单，延时小，可靠性高。该隔离方案是一种更优的选择。
多主模式下，I2C接口隔离方案：在多主模式下，如果使用传统光耦进行隔离，由于串行数据线SDA和串行时钟线SCL都需要双向通信，因此需要4个光耦。如上同样的原理，可选择2片π121M41（SOP8封装）或者1片π142M41（SOP16封装），以更低的成本，更小的PCB板上空间实现可靠接口隔离。荣湃半导体针对I2C接口隔离，2018年10月推出的π2系列的产品，如图3a所示(单主模式产品)，图3b所示（多主模式产品），可实现1片SOP8封装IC及更少的外围器件实现可靠I2C接口隔离。
小结：出于对电路系统可靠性和终端设备安全方面的考虑，I2C总线接口的隔离显得尤为重要。传统光耦的隔离方案，由于所用光耦数量多，PCB占用空间大，系统电路复杂，延时时间长等缺点，已经不再是最优选择。针对以上问题，荣湃数字隔离器π131M41为主的隔离方案，可实现单主模式下的I2C接口隔离；π121M41或π142M41为主的隔离方案，可实现多主模式下的I2C接口隔离。荣湃半导体针对I2C接口隔离，2018年10月推出的π2系列产品，可实现1片SOP8封装IC及更少的外围器件实现单主模式及多主模式下可靠的I2C接口隔离。
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