一、I2C隔离产品在系统中的作用
            I2C 总线是飞利浦公司开发的一种双线制双向串行总线，主要应用于板内或板间 IC 之间的短距离通信，应用非常广泛。I2C 总线主设备控制串行时钟线(SCL)，数据在串行数据线(SDA)上双向传输。I2C 总线 理论上可以增加 112 个通信节点，但是节点数量会增加总线上负载电容，从而限制通信距离和通信速度。实际应用中，需要在通信速度、总线长度和节点数量之间进行权衡。I2C 总线支持四种传输速率:标准模式 (最高 100Kbps)、快速模式(最高 400Kbps)、快速增强模式(最高 1Mbps)和高速模式(最高 3.4Mbps)。荣湃半导体 I2C 隔离器 π220N31/π221N31 支持上述四种通信速率。

            如图 1 所示，系统为了达到安全规范要求、避免噪声信号干扰通信、避免损坏敏感器件的目的，需要 采用 I2C 隔离产品把器件之间的地隔离开来，例如荣湃 I2C 隔离产品 π220N31。

图1 I2C 隔离产品在系统中应用示意图

二、荣湃 I2C 隔离器产品介绍
            荣湃共有四款 I2C 隔离器产品，隔离耐压分为 3KV 和 5KV 两档，分别对应 SOP8 封装 4mm 爬电距离和WSOP16 封装 8mm 爬电距离。串行时钟线 SCL 分为双向和单向两种。π220N31 和 π220N61 为热销型号， 并且满足 AEC-Q100 规范要求。四款产品具体参数如表 1 所示。

表 1 荣湃 I2C 产品参数列表

             荣湃 I2C 隔离器热销产品 π220N31 和 π220N61 的引脚定义及芯片内部框图如图 2 所示，可兼容 SCL单向产品 π221N31 和 π221N61。π220N31 典型应用电路图如图 3 所示。

图2 隔离产品引脚定义与功能框图

图3 π220N31 典型应用电路图

三、I2C 隔离产品在应用中的注意事项
1、上拉电阻的选择
            由于 I2C 接口为开漏输出，因此为了实现系统可靠运行，需要添加上拉电阻，如图 3 中 R1~R4。上拉电阻影响信号上升时间与系统电流。上拉电阻过大会导致信号上升时间过大，导致不能正常通信。上拉电阻过小，会引起系统电流过大，损坏敏感器件。因此，需要根据需要选择合适的上拉电阻。由 于上拉电阻与上升时间相关，不同 I2C 通讯速率规定了最大的上升时间，如表 2 所示。

表2 不同 I2C 通讯速率下的最大上升时间

           根据确定的通讯速率，并且知道了最大上升时间，就可以计算出合适的上拉电阻。例如隔离系统 采用 3.3V 供电，由于隔离器 1 侧最大能承受 3.5mA 的灌电流，因此上拉电阻的最小值为3.3V/3.5mA=0.94K 欧。同时，如果工作在快速模式，则上升时间不能超过 300ns。由于Tr(30%-70%)=0.85RC，负载电容 C 假定为隔离器允许的最大负载 40PF，因此可以计算得出上拉电阻的 最大值 R=8.8K 欧。因此，合适的上拉电阻在 0.94K 欧至 8.8K 欧之间，可选择 4.7K 欧。
2、I2C 隔离器输入输出电压
荣湃 I2C 隔离器的输入输出电平和其他美国厂家的 I2C 隔离产品一样，并非是标准的 TTL 或者CMOS 电平。如表 3 所示。

表3 I2C 隔离器输入输出电压

            从上表可知，I2C 隔离产品的 2 侧是标准的 CMOS 电平逻辑。但是 1 侧的电平逻辑有两个需要关注的 地方，隔离器 1 侧的输入低电平需要小于 0.45V(标准 CMOS 应为小于 0.3VDD，标准 TTL 应为小于 0.8V)， 输出低电平为 0.7V 左右(标准 CMOS 应为小于 0.1VDD，标准 TTL 应为小于 0.4V)。
           这样设计的原因是为了防止系统互锁为低电平。如图 4 所示，当 1 侧输入低电平，通过隔离器隔离后，2 侧跟随 1 侧输出低电平。由于 I2C 隔离器是双向的，因此隔离器的 1 侧也会输出低电平。当隔离器 1 侧外 部器件输入隔离器的信号变为高电平时，但隔离器 1 侧内部也会输出低电平 L’做为隔离器输入,如果 L’也是 标准的 TTL 或者 CMOS，被隔离芯片的输入识别为低电平，则外部器件输入的高电平无效，整个系统会锁 定在低电平状态。

图 4 I2C 隔离器信号传输示意图

           为了解决上述系统互锁为低电平的问题，隔离器 1 侧输出的低电平 L’需要被芯片内部识别为高电平，
才能不干扰外部通信。因此隔离器 1 侧输出低电平 L’需要大于 1 侧输入阈值(阈值典型值为 0.58V，因此要 求输入电压小于 0.45V)。同时隔离器 1 侧输出需要被外部器件(如 MCU，ADC 等)识别为低电平(CMOS为小于 0.3VDD，TTL 为小于 0.8V)。因此 1 侧输出低电压 0.58V 四、荣湃 I2C 隔离产品优势及在系统中的应用
           荣湃 I2C 隔离产品 π220N31/π221N31 是基于荣湃半导体专利的智能分压技术(iDivider 技术)设计而成。该技术具有功耗低、延时短、速率高以及 EMC 性能好等优点。荣湃 I2C 隔离产品广泛应用于以太网供电(POE) 系统、电池管理系统(BMS)以及-48V 分布式电源系统等领域。本文以电动摩托车 BMS 中 I2C 隔离产品的应用举例说明。
           电动摩托车中的电池主要有两种，铅酸电池和锂电池。锂电池相比于铅酸电池在环境保护、续航能力 以及电池寿命等方面均具有很大的优势。因此国家大力推广锂电池的应用。但是锂电池由于在过温、过压 和过流等情况下，容易失效甚至爆炸，因此锂电池在应用中的管理显得尤为重要。电动摩托车电池的额定电压大部分为 48V、60V 或 72V。
采用 20 串锂电池组成 72V 额定电压的 BMS 系统如图 5 所示，荣湃 I2C 隔离产品 π220N31 用于级联 AFE 芯片

图5 额定电压为72V的BMS 系统

五、小结
           I2C 总线是一种两线制双向串行总线，特别适合板间或板内 IC 之间的通讯。为了满足系统安全规 范要求、避免噪声信号干扰通信和避免损坏敏感器件，需要在系统里加入 I2C 隔离器件进行隔离。荣湃 I2C 隔离产品 π220N31/π221N31 是基于荣湃半导体专利的智能分压技术(iDivider 技术)设计而成。该技 术具有功耗低、延时短、速率高以及 EMC 性能好等优点，已广泛应用于以太网供电(POE)系统、电池 管理系统(BMS)以及-48V 分布式电源系统等领域。

文章出自《荣湃半导体》