设计适合工业、电信和医疗应用的鲁棒隔离式I2C/PMBus数据接口

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 工业和仪器仪表(I&I)、电信以及医疗应用的一个关键要求便是用于传输数据的可靠接口。I2C总线是一种双线制双向总线,用于集成电路之间的低速、短距离通信。I2C是由飞利浦公司于20世纪80年代早期为单个电路板上的IC开发,其应用依然在不断增长。电源管理总线(PMBus)是一种速度相对较慢的双线式通信协议,该协议基于I2C,可针对电源进行数字管理。PMBus协议定义了一种开放标准数字电源管理协议,能为与电源转换器或其他连接器件通信提供便利。

图1显示隔离栅如何在I2C接口和与该接口相连的每个系统之间提供电流隔离,既允许在两点之间传输数字数据,又可防止接地电流流过;这样可以消除耦合到通信总线上的噪声,从而降低信号失真和误差。

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图1 隔离功能

电信应用中使用的PCB通常集成数字控制电源转换器以及工作在不同地电位的电路。为确保实现无差错的卡片插入/移除操作以及鲁棒的工作性能,必须隔离每一个接口;但I2C接口隔离很复杂,因为总线是双向的。光耦合器就没有这样的要求,因为它是单向的。图2显示PMBus通信链路,该链路可将原边上的ADM1075(48V热插拔)以及数字电源监控器与副边相隔离,它采用12V和3.3V电源供电。ADM3260双通道I2C隔离器集成DC-DC转换器,可隔离SDA和SCL信号。其隔离电源(3.3V_ISO)为ADuM3200双通道数字隔离器供电,后者可用来隔离SHDN和RESTART信号。

由于在低压域中,原边参考-48V而副边参考地,因此需进行隔离。如果I2C端口不小心直接连接48V电源,那么隔离可以防止器件永久性受损。隔离还能提供针对线路浪涌或接地环路产生的高压或高电流的保护——系统有多重接地时便可能会发生这种情况。 隔离电源通道(3.3V_ISO)允许副边为原边电路供电,无需另行使用低压电源——这种低压电源在48V域中不常见,且难以生成。跨越隔离栅的全部额外I/O信号都需要使用同样可由ADM3260供电的隔离器。为实现鲁棒的数据通信链路,连接I2C总线的每个I2C器件都必须隔离。

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图2 典型的隔离式PMBus通信链路

通常需通过I2C总线跨越隔离栅传输精密转换器数据(ADC或DAC)。图3显示两个隔离数据采集系统。 这些应用还需要隔离式电源来为副边的转换器和放大器供电。

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图3 (a)隔离式I2C ADC与放大器 (b)隔离式I2C DAC与放大器

某些应用要求通道间隔离,其中每条通道都与其他所有通道隔离,如图4所示。

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图4 通道间隔离I2C ADC与放大器

在较为庞大的系统中,不同的电压域之间需要进行电平转换。一个例子便是在电信机架式系统中的每个线路卡上隔离PMBus。图5是一款典型的电信应用,具有多个线路卡,可插入到-48V背板中。本应用中,隔离器对I2C逻辑信号进行电平转换操作,将其从-48V背板转换为完全隔离式+12V系统。

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图5 –48V应用中的PMBus信号隔离与电平转换

I2C通信链路的电源隔离利用隔离式DC/DC电源或isoPower?集成式DC/DC转换器技术实现。使用光耦合器或iCoupler技术可实现信号隔离。

本文更多内容,请参阅http://www.epc.com.cn/pdfdown.php?source=2014.09.pdf

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