【導讀】IIC總線結構簡單且易於實現，廣泛應用於設備或模塊間的連接。在某些數據采集和電源控製設備中，必須把IIC主設備與一個或多個從設備隔離開來，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)生產的NSi810x係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係列芯片。NSi810x係列芯片為兼容IIC接口的高可靠性雙向數字隔離器
，其符合AEC-Q100標準
，具有高電磁抗擾度和低輻射的特性。NSi810x係列產品的主要性能指標如下：

●    高達5000VRMS隔離電壓

●    I2C時鍾速率：高達2MHz

●    供電電壓範圍：2.5V~5.5V

●    高CMTI:150kV/us

●    芯片級ESD:HBM高達±6kV

●    高係統級EMC性能：增強型係統級抗ESD
、EFT
、浪湧能力

●    隔離帶壽命：>60年

NSi810x係列均包含窄體SOIC8及寬體SOIC16兩種封裝形式，各型號功能框圖如下：

圖1 NSi8100/01窄體SOIC8封裝圖

圖2 NSi8100/1寬體SOIC-16封裝圖 

NSi810x係列典型應用電路 

NSi810x係列產品外圍電路簡單，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漏驅動即可實現IIC總線的隔離（如圖3）。那麼，如何選取合適的上拉電阻，是該類應用電路的關鍵。

圖3 隔離IIC外圍電路

分析上拉電阻對隔離電路的影響時，需要考慮兩種情況。第一種情況是當SDA1傳向SDA2的信號由高電平轉換為低電平時（如圖3），必須保證NSi810x的輸出驅動能力IO大於外部上拉電路的上拉能力IPU2，SDA2的狀態才能跟隨輸入狀態發生相應變化。

選取最大供電電壓5.5V的情況, RPU2應滿足如下條件：

當IPU2<IO時
，side2輸出隨輸入變化為低電平狀態


，此時
，端口信號的下降時間t保持約10ns固定狀態，與負載電容的大小幾乎無關。

第二種情況是當SDA1傳向SDA2的信號由低電平轉換為高電平時，由於NSi810x係列的開漏驅動特性，SDA2的狀態由外部上拉電路決定。此外
，由於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間（tPLH12）與除了與隔離電路傳播延時（tLH12）有關，還與該RC電路的充放電時間有關（tRC）,即

在相同的負載電容情況下
，上拉電阻越大，tRC 就越大

，導致輸出上升時間就越長。又由於其下降時間不隨RC的de大da小xiao發fa生sheng變bian化hua，因yin此ci，過guo大da的de上shang拉la電dian阻zu可ke能neng會hui導dao致zhi輸shu出chu信xin號hao的de占zhan空kong比bi發fa生sheng改gai變bian。當dang信xin號hao速su率lv越yue高gao，信xin號hao鏈lian越yue長chang，該gai狀zhuang況kuang引yin起qi的de危wei害hai越yue大da。

由SDA2向SDA1發送信號時的狀況與此類似
，在此不進行贅述。

圖4 隔離IIC信號傳輸波形

由you上shang述shu可ke知zhi，在zai滿man足zu芯xin片pian能neng夠gou正zheng常chang工gong作zuo的de前qian提ti下xia

，從cong信xin號hao完wan整zheng性xing的de角jiao度du來lai說shuo
，上shang拉la電dian阻zu的de阻zu值zhi取qu得de越yue小xiao越yue好hao。但dan在zai係xi統tong級ji應ying用yong中zhong，我wo們men還hai需xu要yao更geng全quan麵mian的de考kao慮lv其qi帶dai來lai的de影ying響xiang。當dang我wo們men選xuan取qu的de上shang拉la電dian阻zu阻zu值zhi越yue小xiao，信xin號hao端duan被bei驅qu動dong低di電dian平ping狀zhuang態tai時shi，該gai電dian阻zu在zai係xi統tong中zhong消xiao耗hao的de功gong耗hao就jiu越yue大da。因yin此ci
，在zai實shi際ji應ying用yong中zhong

，我wo們men應ying該gai在zai滿man足zu信xin號hao有you效xiao傳chuan輸shu的de前qian提ti下xia，選xuan取qu最zui大da的de上shang拉la電dian阻zu以yi減jian小xiao功gong耗hao。

NSi810x係列實現防閂鎖雙向通信的原理

圖5低電平閂鎖電路等效圖

一yi個ge雙shuang向xiang傳chuan輸shu的de隔ge離li通tong道dao可ke利li用yong兩liang個ge反fan向xiang傳chuan輸shu的de數shu字zi隔ge離li通tong道dao組zu成cheng。然ran而er，如ru果guo單dan純chun的de將jiang兩liang個ge反fan向xiang通tong道dao相xiang連lian


，那na麼me任ren何he一yi端duan的de總zong線xian狀zhuang態tai會hui由you外wai界jie輸shu入ru和he另ling一yi端duan的de傳chuan輸shu信xin號hao相xiang與yu得de到dao。當dang有you一yi端duan外wai界jie輸shu入ru低di電dian平ping信xin號hao時shi，總zong線xian狀zhuang態tai將jiang會hui鎖suo死si為wei低di電dian平ping狀zhuang態tai而er無wu法fa釋shi放fang，其qi等deng效xiao電dian路lu狀zhuang態tai如ru圖tu5所示。

為了解決這種問題
，NSi810x在side1端增加內部偏置電路
，當side2發送低電平信號至side1時，該電路將低電平信號拉高至VOL1
，對通常的COMS或TTL電平來說，該電壓還是被判定為低電平，但對於NSi810x芯片來說，VOL1在side1端作為輸入則會被識別為高電平傳輸到side2
，從而起到了解除低電平閂鎖的目的。

以下是side1端發送信號電平轉換的幾種情況：

I）、side1發送信號由高電平轉換為低電平

●    由外部信號向side1發送低電平信號（step1）

●    經過隔離通道的傳播延時時長(tPHL12)

，低電平信號傳送至side2（step2）;

●    再經過隔離通道傳播延時時長(tPHL21)，side2的低電平信號再次回傳至side1(step3)

●    side1的實際信號為外部輸入信號(step1)與side2回傳的信號(step3)相與。因此
，在外部輸入信號由高變低時，實際信號由高變低（step4）。

II）
、side1發送信號由低電平轉換為高電平

●    由外部信號向side1發送高電平信號(step1);

●    經過隔離通道的傳播延時時長(tPLH12), side2端狀態由上拉電阻拉高(step2);

●    再經過隔離通道傳播延時時長(tPLH21),side2的高電平信號再次回傳side1(step3)

●    side1的實際信號為外部輸入信號(step1)與side2回傳的信號(step3)相與。因此，當外部輸入信號由低變高時，需經過tPLH12+ tPLH21時長的VOL1,才會再變為高電平信號（step4）。

III）
、side2發送信號由高電平轉換為低電平

●    由外部信號向side2發送低電平信號(step2);

●    經過隔離通道傳播延時時長(tPHL21), 低電平信號傳送至side1，由於此時side1信號電平VOL1>VIH1，低電平信號不再次進行回傳(step3)。

IV）、side2發送信號由低電平轉換為高電平

●    由外部信號向side2發送低電平信號(step2);

●    經過隔離通道傳播延時時長(tPLH21), side1的狀態由外部上拉電阻拉高至高電平狀態(step3)

圖6 信號傳輸過程

NSi810x VS.傳統光耦IIC隔離電路

圖7左側為使用4個光耦芯片及複雜的外圍電路搭建的IIC端口隔離電路，其所需器件產生的成本、電路的複雜度及PCB空間的增加都將大大限製IIC的隔離應用。相比之下
， NSi810x僅需單顆芯片及用於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係列芯片的各項功能指標也遠優於光耦隔離電路（如表1所示）

表1 傳統光耦與NSi810x性能比較

總結

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

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