用于串行通信的I 2 C电压电平转换器

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       I2C(内部集成电路)是一种多主机至多从机的两线串行总线标准,可实现串行通信。I 2 C(集成电路间)是一种多主从到多从两线串行总线标准,可在几米长的电缆上以多种比特率(取决于支持的模式)进行串行通信。I 2 C相对较旧,但仍然非常流行,于1982年问世。

 

       从那时起,5V逻辑接口已被低电压标准所取代,I 2 C总线系统需要适应电平转换,以实现与同一总线上不同接口电压设备的互通。在超快速模式下,通信数据速率也已从原来的100 kHz时钟速率提高到了5MHz,并且电平转换必须能够适应这些更高的数据速率。

 

       I 2 C信令包括单个数据信号,该数据信号承载由时钟信号验证的逻辑电平。两种信号都是双向的,由一个或多个主机或从机驱动,具体取决于系统的状态。为了防止输出相互驱动而引起的竞争破坏,漏极开路或集电极开路输出以及上拉电阻会驱动总线。

 

       开漏(基于FET)或集电极(基于BJT)的输出是没有有源栅极上拉至正电源的输出。关闭输出门将输出置于高阻抗状态。如图1所示,由于总线电容存储的电荷通过上拉电阻放电,信号线浮空。

 

       因此,信号总线上从低到高的转换速度受到存储在导线“ C”上的寄生电容上的电荷通过上拉电阻“ R”放电(3dB)所花费的时间的限制。点由等式定义:f 3dB = 1 /(2π.RC)

 

       例如,如果组合的电容性总线负载为100pF,并且总线上信号的组合上拉电阻为1.5kΩ,则3dB点约为1MHz。这限制了总线上可能的最大数据速率,但显而易见的好处是永远不会出现低阻抗输出相互驱动,从而导致有害的大电流流过栅极的情况。I 2 C信号的双向特性,总线电压电平的变化以及漏极开路输出的要求大大使电平转换电路复杂化。

 

       逻辑电平兼容性

 

       不同的逻辑电平具有确定高/低逻辑转换的不同逻辑阈值电压。由于半导体器件的输入和输出上存在二极管结,因此不同的电压标准也会引起问题。被驱动到高于电源电压的信号电平迫使二极管在一种称为“闩锁”的破坏性条件下导通。

 

       I 2 C传统上符合5V逻辑标准,但可能需要与许多其他较低电压接口标准一起使用。即使接口标准阈值和区域看起来在可接受的范围内,降低的噪声裕度也会在没有适当逻辑电平转换的情况下损害总线性能。

 

       总线系统必须与在设备变化和预期温度范围内与单个设备相关的逻辑级别的最坏情况组合兼容。请注意,公共总线上的每个设备都会增加电容,并可能进一步减少裕量。单端总线,特别是长导线的总线,在接地或电源上会受到阻抗的影响,从而引起边缘振铃和接地弹跳,进而进一步降低电平裕量。

 

       双向缓冲器的使用可能不会专门提供不同的电压转换,但可以在信号电平在标准之间兼容的情况下帮助维持电压容差。I 2 C中继器还提供一种隔离总线电容性负载的方法,方法是将总线分为两个扩展的电缆走线或系统中可支持的设备数量。由于低数据速率,5V信号支持和开漏特性,I 2 C接口非常适合长时间电缆传输。这些特性使其可用于以下情况:设备插入和退出串行总线会增加电平转换电路的复杂性,而裸露的连接会增加对静电放电(ESD)保护的要求。

 

       分立MOSFET的电平转换方法

 

       双向电平转换必须在两个方向上进行。最简单的方法使用MOSFET,如图3所示,并在应用笔记AN10441中进行了详细描述。尽管MOSFET电平转换器可用于100kHz至400kHz的通信标准,但由于前面提到的RC时间常数对频率的限制,它不具备更快的工作模式所需的性能。在使用更高带宽模式的情况下,需要专用电平转换器设备。

 

       I 2 C接口具有受此影响限制的上升沿。MOSFET电路引入了额外的寄生电容(例如,米勒效应)和开关电平,这进一步改变了方向变化过程中两个边沿的特性。如果逻辑接口是边际的,这可能会引起问题,因为它们在阈值电压附近有一个过渡区域,在该过渡区域中输出是不确定的。

 

       驻留在此范围内的信号会引起所谓的“亚稳态”,从而引起信号毛刺。施密特触发器输入是特殊的接口,由于输入门输出的正反馈而导致电压滞后。由于信号变化缓慢,这会增加噪声容限并降低潜在的亚稳性。

 

       同样,在I 2 C串行总线上可能存在嘈杂,缓慢或非单调的信号,也可以使用去抖动算法进行校正。防反跳算法引入了保压时间,在该保压时间中,在更改之前,需要在一段时间内监视输入信号的连续信号电平,以拒绝落入该时间段内的毛刺过渡。这是一种与FPGA和微控制器上的“位撞击”软件实现一起使用的技术。

 

       孤立的方法

 

       在两个设备之间具有直接电连接,而与电压电平转换无关。由于I 2 C接口不平衡且电缆连接较长,这些电势差会导致接地信号产生杂散噪声电流。在处理高压电路时,非隔离的接地会导致危险的故障情况。跨越隔离边界的应用中使用的I 2 C接口必须满足安全标准,并需要进行电流隔离。

 

       电隔离I 2 C总线的常用方法还包括将电平转换作为隔离边界,并在隔离边界的任一侧实现任何电压支持。常规的隔离技术包括通过光耦合器或通过电容桥或电感变压器调制串行总线信号信息的设备进行光电隔离。

 

       所有这些趋于共享将双向信号分离/重组为两个单向路径的共同特征。某些应用程序通过将信号转换为差分标准(例如RS485)来延长所支持电缆的长度并提高抗噪性。他们还可以利用更高的信号电压。

 

       I 2 C总线的光电隔离能够以超过1Mbps的速度运行。恩智浦的应用笔记AN10364全面描述了具有不同局部接地电位和电压的I 2 C器件之间接口的各种拓扑。在需要在隔离的交流市电电源电路,医疗设备和以太网电源(PoE)中进行一次到二次侧通信的应用中,可以找到类似的拓扑。

 

       双向电压电平转换器

 

       双向电压转换器可以在I 2 C总线上工作。重要的是要确保设备的总线方向正确–将总线电压水平与正确的转换器侧相匹配。大多数转换器会指定一侧大于另一侧的最小电压(通常约为1V)。如应用笔记AN11127所述,双方仍需要上拉电阻以正确进行I 2 C操作。

 

       这种器件非常适合支持从5V和3V3从属外设到FPGA或微控制器的低压I / O组的I 2 C连接。双开漏双向电压电平转换器设备(例如NVT2001)由于组件数量少,解决方案的灵活性高,集成的ESD保护和纤巧的物理封装而简化了多电压总线架构。

 

       它们还用于在I 2 C总线上的较慢和较快的元素之间提供隔离,从而使它们可以在同一设计中进行互操作。在快速模式通信期间,控制使能引脚以断开较慢的总线可实现共存。这些器件在开漏系统中具有不到1.5ns的传播延迟(不包括总线负载)和33MHz的时钟性能。高频支持使超快操作模式的解决方案能够结合电平转换,并在将来提高了更高速度的I 2 C接口标准的可能性。

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