作者：Thomas Kugelstadt，德州儀器 (TI) 應用工程師

 

關鍵詞：I2C 隔離器、工業接口、RS-485、RS0-232、CAN、模擬、信號鏈、半導體、德州儀器、TI

 

通常產品設計時間非常緊張，用于新產品設計的資金也并不寬余。但不管怎樣，我們都必須要在不增加成本的前提下設計出能夠運行于惡劣環境下的穩健系統。一般而言，這會要求使用電流隔離，用于保護敏感控制電子組件免受外部突入和瞬態浪涌電流的損害。

 

如果您的設計涉及許多工業接口，那么當您在各大半導體廠商的官方網站上看到琳瑯滿目的RS-485、RS-232、CAN和I2C信號隔離器時，您會發現自己像一個進到糖果店里的小孩一樣興奮不已。但是，當您想要采購經理批準購買這些產品時，他會立馬給您潑上一盆冷水：“不能利用一些已有的標準組件嗎？不管用什么方法，把它們都利用起來？”

 

今后碰到這種情況，您可以熱情洋溢的回答“沒問題”了，因為本文將為您介紹一小部分工業接口電路，它們幾乎都只使用一個標準隔離器。圖 1-4 顯示了工業應用中較為常見的數字接口的簡化示意圖。

 

 

請注意，為了便于說明，我們省略了旁路電容器和上拉/下拉電阻器。首批三個電路都有一個異步數據傳輸模式，其使用兩條數據線路和一條控制線路，用于驅動器/接收器激活。這樣，在節點控制器和標準兼容收發器芯片之間便只需一個三重隔離器了。

 

圖 4 所示隔離式 I2C（inter-integrated circuit，IIC）表示一種特殊情況，因為它支持僅有幾英寸長的短通信鏈路，因此不需要線路收發器。在一些多主機應用中，兩個節點會同時訪問總線。為了防止信號轉回其源，我們使用一個雙向緩沖器來支持從R(x,y) 到 S(x,y)  的接收傳輸以及 S(x,y) 到 T(x,y) 的發送傳輸，而非R(x,y) 到 T(x,y) 的直接回環。

 

幸運的是，多主機設計只是少數情況，大多數都是單主機應用。因此，我們可以極大地簡化圖 4 所示電路。

 

由于是單主機，時鐘信號 (SCL) 僅需單向傳輸，從而將時鐘隔離減少至一條通道。然后，用一個晶體二極管開關代替雙向緩沖器，這樣隔離層（圖 5）每端將電路簡化至我們的標準三重隔離器（圖 6）。

 

圖 5 利用晶體管開關隔離發送和接收路徑

 

在待機模式下，隔離器輸入 A 和 C 通過 R2 和 R4 被拉至高電平，推高輸出 B 和 D。另外，主和從數據線路（SDA1 和 SDA2）通過 RPU1 和 RPU2 被拉至高電平。當主機通過拉低 SDA1 開始通信時，Q1 發射極結點被正向偏置，而 Q1 將輸入 A 拉至低電平。輸出B 跟著變為低電平，并正向偏置 D2。D2 拉低 SDA2。與此同時，Q2 發射極結點被反向偏置，并且 Q2 保持高阻抗。開關順序相同，僅在從數據線路響應時反向。

 

圖 6 單主機應用隔離式I2C總線接口

 

 

圖 6 顯示了較終的電路情況。至少使用 0.1Μf 電容器來對芯片電源進行緩沖。通過 1k 到 10k電阻器，始終將激活輸入端連接至各個電源軌。這些電阻器可控制進入電源線路的浪涌瞬態所引起的芯片突入電流。利用濾波器電容（此處為 220pF）來抑制敏感的 CMOS 輸入噪聲，是一種較好的模擬設計方法。

 

沒有隔離電源，隔離設計便不完整。圖 7 顯示了一種低成本、隔離式 DC/DC 轉換器設計，用于替代昂貴的集成 DC/DC 模塊。主副電源均可以在 3.3V 和 5V 之間變化。下列表格列出了三種電源組合的相應組件。

 

圖 7 隔離式DC/DC轉換器

 

 

下次，我們將討論如何利用 SPICE 設計一種低功耗、高精度 PID 溫度控制環路，敬請期待。