IIC總線結構簡單且易于實現，廣泛應用于設備或模塊間的連接。在某些數據采集和電源控制設備中，必須把IIC主設備與一個或多個從設備隔離開(kāi)來，以便解決噪聲、接地、安全等問題。本文主要介紹如何利用納芯微電子(NOVOSENSE)生産的NSi810x系列芯片高效快速的實現IIC設備隔離。

首先我們先來了解下NSi810x系列芯片。NSi810x系列芯片爲兼容IIC接口的高可靠性雙向(xiàng)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系列産品的主要性能(néng)指标如下：

l  高達5000V隔離電壓

l  IC時鍾速率：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(néng)：增強型系統級抗ESD、EFT、浪湧能(néng)力

l  隔離帶壽命：>60年

NSi810x系列均包含窄體SOIC8及寬體SOIC16兩(liǎng)種(zhǒng)封裝形式，各型号功能(néng)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系列産品外圍電路簡單，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)漏驅動即可實現IIC總線的隔離（如圖3）。那麼(me)，如何選取合适的上拉電阻，是該類應用電路的關鍵。

 圖3 隔離IIC外圍電路

分析上拉電阻對(duì)隔離電路的影響時，需要考慮兩(liǎng)種(zhǒng)情況。第一種(zhǒng)情況是當SDA傳向(xiàng)SDA的信号由高電平轉換爲低電平時（如圖3），必須保證NSi810x的輸出驅動能(néng)力I大于外部上拉電路的上拉能(néng)力I，SDA的狀态才能(néng)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>5.5/0.015≈370Ω

當I

第二種(zhǒng)情況是當SDA傳向(xiàng)SDA的信号由低電平轉換爲高電平時，由于NSi810x系列的開(kāi)漏驅動特性，SDA的狀态由外部上拉電路決定。此外，由于電路中對(duì)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間（t）與除了與隔離電路傳播延時（t）有關，還(hái)與該RC電路的充放電時間有關（t）,即

t= t+ t

在相同的負載電容情況下，上拉電阻越大，t 就(jiù)越大，導緻輸出上升時間就(jiù)越長(cháng)。又由于其下降時間不随RC的大小發(fā)生變化，因此，過(guò)大的上拉電阻可能(néng)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(qǐ)的危害越大。

由SDA向(xiàng)SDA發(fā)送信号時的狀況與此類似，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(néng)夠正常工作的前提下，從信号完整性的角度來說，上拉電阻的阻值取得越小越好(hǎo)。但在系統級應用中，我們還(hái)需要更全面(miàn)的考慮其帶來的影響。當我們選取的上拉電阻阻值越小，信号端被(bèi)驅動低電平狀态時，該電阻在系統中消耗的功耗就(jiù)越大。因此，在實際應用中，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系列實現防闩鎖雙向(xiàng)通信的原理

圖5低電平闩鎖電路等效圖

一個雙向(xiàng)傳輸的隔離通道(dào)可利用兩(liǎng)個反向(xiàng)傳輸的數字隔離通道(dào)組成(chéng)。然而，如果單純的將(jiāng)兩(liǎng)個反向(xiàng)通道(dào)相連，那麼(me)任何一端的總線狀态會(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，總線狀态將(jiāng)會(huì)鎖死爲低電平狀态而無法釋放，其等效電路狀态如圖5所示。

爲了解決這(zhè)種(zhǒng)問題，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，該電路將(jiāng)低電平信号拉高至V，對(duì)通常的COMS或TTL電平來說，該電壓還(hái)是被(bèi)判定爲低電平，但對(duì)于NSi810x芯片來說，V在side1端作爲輸入則會(huì)被(bèi)識别爲高電平傳輸到side2，從而起(qǐ)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(zhǒng)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(xiàng)side1發(fā)送低電平信号（step1）

l  經(jīng)過(guò)隔離通道(dào)的傳播延時時長(cháng)(t)，低電平信号傳送至side2（step2）;

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

l  side1的實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，實際信号由高變低（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(xiàng)side1發(fā)送高電平信号(step1);

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

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

l  side1的實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，需經(jīng)過(guò)t+ t時長(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(xiàng)side2發(fā)送低電平信号(step2);

l  經(jīng)過(guò)隔離通道(dào)傳播延時時長(cháng)(t), 低電平信号傳送至side1，由于此時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(xiàng)side2發(fā)送低電平信号(step2);

l  經(jīng)過(guò)隔離通道(dào)傳播延時時長(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，其所需器件産生的成(chéng)本、電路的複雜度及PCB空間的增加都(dōu)將(jiāng)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(néng)指标也遠優于光耦隔離電路（如表1所示）

總結

    目前針對(duì)市面(miàn)上不同的應用電路雖然有多種(zhǒng)實現IIC系統隔離的方法，但NSi810x系列集成(chéng)隔離IIC器件可實現將(jiāng)SDA與SCL雙路IIC隔離及其外部電路集成(chéng)在同一個芯片内，使得IIC隔離應用電路更加簡單，且具有速度快、隔離電壓高、抗共模能(néng)力強、可靠性高等優點。此外，NSi810x系列芯片腳對(duì)腳兼容目前市面(miàn)上已有的IIC隔離器件，可幫助工程師以更低的成(chéng)本實現高性能(néng)的IIC系統隔離功能(néng)。