设计适合工业、电信和医疗应用的鲁棒隔离式I2C/PMBus数据接口
简介
工业和仪器仪表(I&I)、电信以及医疗应用的一个关键要求是需要一个可靠接口来传输数据。 (I2C)总线是一种双线制双向总线，用于集成电路之间的低速、短距离通信。 (I2C)是由飞利浦公司于20世纪80年代早期为单个电路板上的IC开发，其应用依然在不断增长。 电源管理总线(PMBus)是一种速度相对较慢的双线式通信协议，该协议基于(I2C)，可针对电源进行数字管理。 PMBus协议定义了一种开放标准数字电源管理协议，能为电源转换器或连接的其他器件通信提供便利。
图1显示隔离栅在(I2C)接口和与该接口相连的每个系统之间提供电流隔离，既允许在两点之间传输数字数据，又可防止接地电流流过；这样可以消除耦合到通信总线上的噪声，从而降低信号失真和误差。
图1. 隔离功能
电信应用中使用的PCB通常集成数字控制电源转换器以及工作在不同地电位的电路。 为确保实现无差错的卡片插入/移除操作以及鲁棒的工作性能，必须隔离每一个接口；但(I2C)接口隔离很复杂，因为总线是双向的。 光耦合器就不满足这样的要求，因为它是单向的。 图2显示PMBus通信链路，该链路可将原边上的ADM1075（-48 V热插拔）以及数字电源监控器与副边相隔离，它采用12 V和3.3 V电源供电。ADM3260双通道I2C隔离器集成DC-DC转换器，可隔离SDA和SCL信号。其隔离电源(3.3V_ISO)为ADuM3200双通道数字隔离器供电，后者可用来隔离SHDN和RESTART信号。
图2. 典型的隔离式PMBus通信链路
由于在低压域中，原边参考–48 V而副边参考地，因此需进行隔离。 如果(I2C) 端口不小心直接连接–48 V电源，那么隔离可以防止器件永久性受损。 隔离还能提供针对线路浪涌或接地环路产生的高压或电流的保护——系统有多重接地时便可能会发生这种情况。 隔离电源通道(3.3 V_ISO)允许副边为原边供电，无需另行使用低压电源——这种低压电源在–48 V域中不常见，且难以生成。 跨越隔离栅的全部额外I/O信号都需要使用同样可由ADM3260供电的隔离器。 为实现鲁棒的数据通信链路，连接(I2C)总线的每个(I2C)器件都必须隔离。
隔离式(I2C)应用示例有：
- I2C、SMBus或PMBus接口隔离
- 用于电源的电平转换I2C接口
- 网络
- 以太网供电
- 中央交换
- 电信与数据通信设备
- 隔离数据采集系统
- −48 V分布式电源系统
- −48 V电源模块
通常需通过I2C总线并跨越隔离栅传输精密转换器数据（ADC或DAC）。 图3显示两个隔离数据采集系统。 这些应用还需要隔离式电源来为副边的转换器和放大器供电。
图3. (a)隔离式I2C ADC与放大器 (b)隔离式I2C DAC与放大器
某些应用要求通道间隔离，其中每条通道都与其他所有通道隔离，如图4所示。
图4. 通道间隔离I2C ADC与放大器
在较为庞大的系统中，不同的电压域之间需要进行电平转换。 一个例子便是在电信机架式系统中的每个线路卡上隔离PMBus。 图5是一款典型的电信应用，具有多个线路卡，可插入到–48 V背板中。 本应用中，隔离器对I2C逻辑信号进行电平转换操作，将其从–48 V背板转换为完全隔离式+12 V系统。
使用隔离式DC-DC电源或ADI的isoPower®集成式DC-DC转换器技术可实现I2C通信链路的电源隔离。 使用光耦合器或ADI的iCoupler®技术可实现信号隔离。
图5. –48 V应用中的PMBus信号隔离与电平转换
实现隔离式I2C接口
必须在原边智能器件（比如ADC或DAC）与副边处理器之间实现双向数据传输，并且电源必须从原边传输至副边。 如需隔离数据链路，就必须同时隔离数据线路和电源。 所有连接I2C链路的器件都必须与I2C总线隔离，如图6所示。
图6. 隔离式I2C接口
隔离式I2C接口挑战
由于I2C接口是双向的，进行隔离的同时避免总线毛刺和锁定将有一定难度。 图7是一个基于光耦合器的接口。 光耦合器是单向的，因此每条双向I2C线路必须分割为两条单向线路。 隔离一个完整的I2C接口需要用到4个光耦合器和几个无源器件。 由此产生的成本、PCB面积以及复杂性降低了简单的低成本双线式I2C接口本身的价值。 注意，还需要一个隔离式电源。
图7. 基于光耦合器的I2C接口
隔离技术： 数据和功率
图8比较了两种主要的隔离技术。iCoupler技术(a)使用厚膜工艺技术构建微型片内变压器，实现2.5 kV隔离。 较古老但广泛采用的光耦合器解决方案(b)则采用发光二级管(LED)和光电二极管。 LED用于将电信号转换为光，光电二极管则用于将光转换回为电信号。 电光转换本身的低转换效率导致功耗相对较高；光电二极管的慢速响应则限制其速度；而老化问题会限制其使用寿命。