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利用NSi810x高效快速實(shí)現IIC設備隔離

2019-08-22 13:30:00

      IIC總線(xiàn)結構簡(jiǎn)單且易于實(shí)現,廣泛應用于設備或模塊簡(jiǎn)的連接。在某些數據采集和電源控制設備中,必須把IIC主設備與一個(gè)或多個(gè)從設備隔離開(kāi)來(lái),以便解決噪聲、接地、安全等問(wèn)題。本文主要介紹如何利用納芯微電子(NOVOSENSE)生產(chǎn)的NSi810x系列芯片高效快速的實(shí)現IIC設備隔離。

首先我們先來(lái)了解下NSi810x系列芯片。NSi810x系列芯片爲兼容IIC接口的高可靠性雙向數字隔離器,其符合AEC-Q100标準,具有高電磁抗擾度和低輻射的特性。NSi810x系列產(chǎn)品的主要性能指标如下:

l  高達5000V隔離電壓

l  IC時(shí)鍾速率:高達2MHz

l  供電電壓範圍:2.5V~5.5V

l  高CMTI:150kV/us

l  芯片級ESD:HBM高達±6kV

l  高系統級EMC性能:增強型系統級抗ESD、EFT、浪湧能力

l  隔離帶壽命:>60年

NSi810x系列均包含窄體SOIC8及寬體SOIC16兩種封裝形式,各型号功能框圖如下:

                      

圖1 NSi8100/01窄體SOIC8封裝圖

 

圖2 NSi8100/1寬體SOIC-16封裝圖

NSi810x系列典型應用電路

NSi810x系列產(chǎn)品外圍電路簡(jiǎn)單,隻需要雙端電源供電及在IIC通信引腳連接上拉電阻滿足芯片的開(kāi)漏驅動(dòng)即可實(shí)現IIC總線(xiàn)的隔離(如圖3)。那麽,如何選取合适的上拉電阻,是該類(lèi)應用電路的關鍵。

 

 圖3 隔離IIC外圍電路


分析上拉電阻對隔離電路的影響時(shí),需要考慮兩種情況。第一種情況是當SDA傳向SDA的信号由高電平轉換爲低電平時(shí)(如圖3),必須保證NSi810x的輸出驅動(dòng)能力I大于外部上拉電路的上拉能力I,SDA的狀态才能跟随輸入狀态發(fā)生相應變化。

I=15mA

I≈VDD2/ R

選取最大供電電壓5.5V的情況, R應滿足如下條件:

R>5.5/0.015370Ω

當I

第二種情況是當SDA傳向SDA的信号由低電平轉換爲高電平時(shí),由于NSi810x系列的開(kāi)漏驅動(dòng)特性,SDA的狀态由外部上拉電路決定。此外,由于電路中對地負載電容與上拉電組的RC電路的充電效應,使得side2輸出恢複高電平的時(shí)簡(jiǎn)(t)與除了與隔離電路傳播延時(shí)t)有關,還與該RC電路的充放電時(shí)簡(jiǎn)有關(t),即

t= t+ t

在相同的負載電容情況下,上拉電阻越大,t 就越大,導緻輸出上升時(shí)簡(jiǎn)就越長(cháng)。又由于其下降時(shí)簡(jiǎn)不随RC的大小發(fā)生變化,因此,過(guò)大的上拉電阻可能會(huì)導緻輸出信号的占空比發(fā)生改變。當信号速率越高,信号鏈越長(cháng),該狀況引起的危害越大。

由SDA向SDA發(fā)送信号時(shí)的狀況與此類(lèi)似,在此不進(jìn)行贅述。

 

 圖4 隔離IIC信号傳輸波形

由上述可知,在滿足芯片能夠正常工作的前提下,從信号完整性的角度來(lái)說,上拉電阻的阻值取得越小越好。但在系統級應用中,我們還需要更全面的考慮其帶來(lái)的影響。當我們選取的上拉電阻阻值越小,信号端被驅動(dòng)低電平狀态時(shí),該電阻在系統中消耗的功耗就越大。因此,在實(shí)際應用中,我們應該在滿足信号有效傳輸的前提下,選取最大的上拉電阻以減小功耗。

NSi810x系列實(shí)現防闩鎖雙向通信的原理

  

圖5低電平闩鎖電路等效圖

一個(gè)雙向傳輸的隔離通道可利用兩個(gè)反向傳輸的數字隔離通道組成。然而,如果單純的将兩個(gè)反向通道相連,那麽任何一端的總線(xiàn)狀态會(huì)由外界輸入和另一端的傳輸信号相與得到。當有一端外界輸入低電平信号時(shí),總線(xiàn)狀态将會(huì)鎖死爲低電平狀态而無(wú)法釋放,其等效電路狀态如圖5所示。

爲了解決這種問(wèn)題,NSi810x在side1端增加内部偏置電路,當side2發(fā)送低電平信号至side1時(shí),該電路将低電平信号拉高至V,對通常的COMS或TTL電平來(lái)說,該電壓還是被判定爲低電平,但對于NSi810x芯片來(lái)說,V在side1端作爲輸入則會(huì)被識别爲高電平傳輸到side2,從而起到了解除低電平闩鎖的目的。

以下是side1端發(fā)送信号電平轉換的幾種情況:

I)、side1發(fā)送信号由高電平轉換爲低電平

l  由外部信号向side1發(fā)送低電平信号(step1)

l  經(jīng)過(guò)隔離通道的傳播延時(shí)時(shí)長(cháng)(t),低電平信号傳送至side2(step2);

l  再經(jīng)過(guò)隔離通道傳播延時(shí)時(shí)長(cháng)(t),side2的低電平信号再次回傳至side1(step3)

l  side1的實(shí)際信号爲外部輸入信号(step1)與side2回傳的信号(step3)相與。因此,在外部輸入信号由高變低時(shí),實(shí)際信号由高變低(step4)。

II)、side1發(fā)送信号由低電平轉換爲高電平

l  由外部信号向side1發(fā)送高電平信号(step1);

l  經(jīng)過(guò)隔離通道的傳播延時(shí)時(shí)長(cháng)(t), side2端狀态由上拉電阻拉高(step2);

l  再經(jīng)過(guò)隔離通道傳播延時(shí)時(shí)長(cháng)(t),side2的高電平信号再次回傳side1(step3)

l  side1的實(shí)際信号爲外部輸入信号(step1)與side2回傳的信号(step3)相與。因此,當外部輸入信号由低變高時(shí),需經(jīng)過(guò)t+ t時(shí)長(cháng)的V才會(huì)再變爲高電平信号(step4)。

III)、side2發(fā)送信号由高電平轉換爲低電平

l  由外部信号向side2發(fā)送低電平信号(step2);

l  經(jīng)過(guò)隔離通道傳播延時(shí)時(shí)長(cháng)(t), 低電平信号傳送至side1,由于此時(shí)side1信号電平V>V,低電平信号不再次進(jìn)行回傳(step3)。

IV)、side2發(fā)送信号由低電平轉換爲高電平

l  由外部信号向side2發(fā)送低電平信号(step2);

l  經(jīng)過(guò)隔離通道傳播延時(shí)時(shí)長(cháng)(t), side1的狀态由外部上拉電阻拉高至高電平狀态(step3)

 

圖6 信号傳輸過(guò)程

NSi810x VS.傳統光耦IIC隔離電路

圖7左側爲使用4個(gè)光耦芯片及複雜的外圍電路搭建的IIC端口隔離電路,其所需器件產(chǎn)生的成本、電路的複雜度及PCB空簡(jiǎn)的增加都将大大限制IIC的隔離應用。相比之下, NSi810x僅需單顆芯片及用于電源的旁路電容即可實(shí)現IIC接口隔離。

 圖7 傳統光耦IIC隔離電路

除此之外,NSi810x系列芯片的各項功能指标也遠優于光耦隔離電路(如表1所示)

隔離方式

高速光耦(TLPN137)

NSi810x

傳輸延時(shí)

75ns

30ns

隔離電壓

2500V

5000V

功耗

20mA*4

2.5mA*2

壽命

存在光衰,壽命短

>60年

溫度範圍

-40~85C

-40~125C

面積

55mm*30mm

25mm*10mm

器件數

28

7



表1 傳統光耦與NSi810x性能比較


總結

   目前針對市面上不同的應用電路雖然有多種實(shí)現IIC系統隔離的方法,但NSi810x系列集成隔離IIC器件可實(shí)現将SDA與SCL雙路IIC隔離及其外部電路集成在同一個(gè)芯片内,使得IIC隔離應用電路更加簡(jiǎn)單,且具有速度快、隔離電壓高、抗共模能力強、可靠性高等優點。此外,NSi810x系列芯片腳對腳兼容目前市面上已有的IIC隔離器件,可幫助工程師以更低的成本實(shí)現高性能的IIC系統隔離功能。

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