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确保光学隔离I2C总线数据完整性


应用指南

Field  Applications

确保光学隔离I2C总线 数据完整性
Assuring Data Integrity in an Optically Isolated 3.3 V I2C Bus
安捷伦科技公司   何军华

引言
IC互联总线 (I C总线) 的应用正<

br />2

高状态转换 (图1)

迟要求 首先 光电耦合器的最大高到低

越来越广泛地扩展到包括消费电子 通信设备和工业设备中


I C 总线中的光电耦合器传播


和低到高传播延迟(tPHL和tPLH)将决定器 件的最大数据传输速率(图2a) 最大传 播延迟 tP(MAX) 以 tPHL 或 tPLH 中的高者为 准 传输 NRZ (非归零)数据的光电耦 合器要求数据位周期 τ 至少要高于 tP(MAX): τ ? TP (MAX) 因此 最大数据速率是 FNRZ (max) =1/ τ?1/tP(MAX) 时钟信号被认为是 RZ (归零)数 据 如 I2C 总线 SCL; 时钟周期同时包

在实际应用

延迟
应用环境要求在I C总线接口进行


所有情况下 3.3V I C总线接口都使用 低电压光电耦合器来隔离电流信号 在最少元件配置中 使用三个高速光

电流隔离

以保证无差错传送数据和 适当的光电耦合 高速光电

安全隔离高压设备

电耦合器隔离 CLK, SDA_in 和 SDA_out 线路信号 本文讨论了对要求隔离I C总线接


器可以提供这种隔离能力

耦合器的速率范围从 100 千波特(kBd) 到 50 兆波特(MBd) 可以用于数字数据 接口隔离 I C 总线接口的相应光电耦


口的应用与光电耦合器传播延迟时间 有关的参数怎样影响数据完整性和系 统可靠性 包括IEEE 802.3af标准兼容 的以太网在线供电交换机和模数转换 器到微控制器的接口 我们在实例中

合器主要取决于应用的速度和传播延

使用安捷伦 H C P L - 0 6 3 L 双通道和 HCPL-060L 单通道 15 MBd 3.3 V 光电 耦合器 I2C 总线是飞利浦半导体开发的一 种串行数字信号通信协议 它在接口 图1   I2C总线的时序图

端口中只要求两条导线和极少的硬件 互连的设备通过软件寻址 主设备和

从设备之间的数据速率范围为标准模 式下的 100 kbps 到快速模式下的 400 kbps到高速模式下的3.4 Mbps 两条导 线分别承载 SDA 数据和 SCL 时钟 SDA 的每个数据位在每个 SCL 时钟的高电 平时上读取 在此期间 数据必须保持 稳定 只有在SCL线路上的时钟信号为 低 时 数据线才能实行高到低或低到 图2   光电耦合器传播延迟和偏差

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应用指 Field  Applications 南
括高电平时间和低电平时间 τ= t HIGH + t LOW    对一般 50% 占空比的 RZ 时钟 信号 判断RZ数据速率的安全规则是 frz(max) ? 1/2 (tP(MAX)) 但是 在 I2C 总线时钟周期中 允 许高电平时间短于低电平时间 要使

是一个重要系数 数据传输速率

它决定着最大并行

不应超过 I2C 时钟的高电平时间 I2C 总线协议对 SCL 和 SDA 信号电 平敏感 SDA 应在 SCL 高电平时间中稳 定在高电平或低电平 I2C 总线器件必 须在内部提供一个数据保持时间 tHD;DAT 以过渡在 SCL 信号下降沿时的 由于光

如果并行数据通过两

个单独的光电耦合器或通过一个多通 道光电耦合器传送 那么通道之间的

传播延迟差异将导致数据以不同的时 间到达光电耦合器的输出 传播延迟差足够大 如果这种

光电耦合器传送占空比小于 50% 的信 号 光电耦合器的最大传播延迟 tP(MAX) 应小于高电平时间 tHIGH  ? tP(MAX) 例如 在考虑隔离400 kHz快速模 式时钟频率和 50% 占空比的 I C 总线时


那么它将限制可

高电平和低电平的不确定期

以通过光电耦合器传输并行数据的最 大速率 如图 2b 所示 传播延迟偏差定义 为在相同条件下(即相同驱动电流 供 电电压 输出负荷和工作温度)对任何 光电耦合器通道组 tPLH 和 / 或 tPHL 最

电耦合器将在 SDA 信号和 SCL 信号中 产生不确定性 数据保持时间 tHD;DAT 应 设置成大于 t P S K S D A 数据建立时间 tSU;DAT 中也应考虑 tPSK 的值 I2C总线协议还要求连接到总线上 的发送器件的输出电路必须是漏电极- 开路或集电极- 开路 以执行连线逻辑 与功能 安捷伦 HCPL-063L 光电耦合 器拥有一个集电极- 开路输出 根据其 技术参数 tP(MAX) 是90 ns 这表明了其 传输高速数据的能力 最大传播延迟 偏差tPSK最低是40 ns 它将提供足够的 时间允许 I2C 总线设置数据保持时间 / 建立时间

(相当于数据速率为 800 kBd) 光电耦 合器的最大传播延迟不能超过1.25 s

隔离以太网供电中的热插拔控 制器
新兴行业标准IEEE 802.3af可以通 过以太网电缆传输电力 图 3   POE 交换机的 PSE 中光电耦合器隔离的 I C 总线


这一网络的

结构承接IEEE 802.3以太网络 但在电 缆中通过一对备用线或信号线对来传

由于I C总线规范允许快速模式时钟高


小和最大传播延迟之差

光电耦合器

载 -48 VDC 电力 为 IP 电话 网络像 机和无线局域网接入点等被供电设备 (PDs)供电 供电设备(PSE)用来在以太 网交换机或集线器上提供 -48 VDC 电 源 从以太网链接路段看, 802.3af标准 PSE 可以连接在两个位置 中间方式连 接在现有以太网交换机外部实现 P S E 技术 终端方式(或终点 /DTE PSE) 则

电平时间最短为0.6 s 因此光电耦合器 的最大传播延迟 tP(MAX) 必须短于0.6 s 而不是1.25 s 在高速光电耦合器中 脉 宽失真(PWD)参数是 t PHL 和 t PLH 之差 一般来说 P W D 值在最小数据脉宽的 20%-30% 之间是容许的 在并行数据信号同时传输多通线 路时 光电耦合器的传播延迟偏差 tPSK

的tPSK将在数据线路和信号线路中导致 不确定性 一般来说 可以传输通过并 行光电耦合器的绝对最小数据脉宽是 tPSK 的两倍 保守设计应使用略长的脉 宽 保证电路中其它地方引起的任何


额外不确定性不会导致问题 I C 总线 时钟信号高电平时间是最短的脉冲 因此两倍的光电耦合器传播延迟偏差

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HCPL-063L双通道3.3 V 光电耦合器隔 离热插拔控制器芯片和主机微控制器 之间的 I2C 总线接口 其中一个 HCPL- 063L 的两条通道把时钟和 SDA_IN 数 据从主控制器 / 主器件传送到热控制 器 / 从器件 另一个 HCPL-063L 的一条 通道把 S D A _ O U T 数据从从器件反向 传送到主器件 第二条通道可以接口 主控制器一侧的电路

连接在交换机内部实现 PSE 到目前为 止 大部分厂商选择了中间方式 PSE 但也有一些厂商在交换机中集成了终 端方式 PSE P S E 不仅把电力分配到以太网络 中 它还提供了功率管理功能 功率管 理功能搜索链路段 看是否存在PD 对 PD 的额定功率分类 然后在检测到 PD 时为链路供电 监测链路段上的电流 在 PD 断开连接或不再要求电源时从链 路段中去掉电力 在PSE和PD设备中802.3af规范要

模数转换器 I 2 C 接口
工业和医疗仪器可能要求在混合 信号和数字电路之间实现光学隔离 如果医疗仪器传感器/探头接触到高电 压 那么在模拟传感器和微控制器/数 字信号处理器之间需要安全电气绝缘 大多数电气隔离的目的是断开数字电 路和模拟电路之间的任何接地环路 因为未隔离的接地可能会在系统中导 致很高的背景噪声 度 I2C总线在模数转换器芯片和微控 制器之间提供了一个方便的接口


额外的功能 如端口请求 / 中断信号 LED 输入电阻器采用保守设计 要求提 供的输入电流大于 5 mA 阈值电流 我 们推荐采用小于 200 的电阻器 把LED

影响模数转换精



场上已经能找到内部包含I C接口的模 数转换器 一个双通道光电耦合器(如 HCPL- 063L)可以隔离从 MCU/ 主器件到 ADC/ 从器件的时钟和 SDA OUT 传输 一个单

通道光电耦合器( 如 H C P L - 0 6 0 L ) 把 SDA IN   从 ADC/ 从器件传输到 MCU/ 主 器件上 隔离的 DC/DC 转换器可以从 为模数转换器
D D 1

数字系统中导出电源

和两个光电耦合器另一侧的 V G N D 1 供电 图4   模数转换中光电耦合器隔离的I C总线




结语
求电气隔离 这与 10/100BASE-T 以太 网的物理层(PHY)要求相一致 如前所 述 PSE 热插拔控制器采用 48 V 电源 这个电源连接到 LAN 数据电缆的备用 线对或信号线对上 热插拔控制器与 驱动电流限制在大于7.5 mA 在主控制 器和热插拔控制器之间两个3.3 V电源 必须相互隔离 安捷伦 HCPL-063L 隔离电压达到 3750 Vrms/1分钟(根据UL1577测试) 使 得以太网供电交换机能够满足电信设 备安全标准 如IEC 60950 HCPL-063L 的15 kV/s抗共模瞬变能力将防止来自 电源热插拔电路的瞬时电压噪声扰乱 在设计光学隔离I2C总线并行的时 钟和数据信号时 要求考虑到光电耦

合器传播延迟和偏差性能 具有开路 - 集电极输出的光电耦合器可以简便地 直接连接到 I2C 总线线路上 光电耦合 器本身固有的光学耦合和电气隔离区 间可以实现的极高的抗电磁干扰能力 帮助保证设备可靠性及能够满足 E M I 标准

主控制电路之间要求电气隔离 如图 3 所示 PSE 热插拔控制器或 电源管理芯片利用I C总线协议来与主


机微控制器通信

在本例中

两个

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