光耦合器，I2C总线基础

ic间总线(I2C总线)是飞利浦半导体公司开发的串行数字信号通信协议，正在越来越多的应用中使用，包括消费电器、通信设备和工业设备。在几乎所有情况下，低压光耦合器都用于3.3 V I2C总线接口中提供电偶隔离。在最小配置中，使用三个高速光耦合器隔离CLK, SDA_IN和SDA_OUT总线信号。

I2C总线只需要两根导线和接口端口上的最小硬件。两根导线携带SDA数据和SCL时钟，在每个SCL时钟高周期读取SDA的每一个数据位。

最大传播延迟tP(MAX)是tPHL或tPLH中较大者。传输NRZ(非归零)数据的光耦合器要求数据位周期t至少大于tP(MAX)。

对于需要隔离I2C总线接口的应用，与光耦合器传播延迟相关的参数会影响数据完整性和系统可靠性。这些应用包括符合IEEE 802.3af标准的以太网电源交换机，以及微控制器的模数转换接口。这里的例子是Agilent的hcpll - 063l双通道和光耦和hcpll - 060l单通道15兆比特/秒3.3 V光耦。

一般来说，I2C总线只需要两根导线和接口端口上的最小硬件;互联设备通过软件寻址。主设备和从设备之间的数据传输速度范围为标准模式100kb /s，快速模式400kb /s，高速模式3.4 Mb/s。两条线携带SDA数据和SCL时钟，在每个SCL时钟高周期读取SDA的每一个数据位。在此期间，数据必须保持稳定。高到低或低到高的状态转换只有在SCL线路上的时钟信号较低时才能完成，如时序图所示。

光耦合器传播延迟

应用环境需要在I2C总线接口上进行电偶隔离，以确保数据传输无差错，并隔离高压设备。合适的光耦合器可以提供这种隔离。高速光耦合器，范围从100千比特/秒到50兆比特/秒，可用于数字数据接口隔离。适合I2C总线接口的光耦合器主要取决于应用速度和传播延迟要求。

光耦合器的最大高到低和低到高传播延迟(tPHL和tPLH)将指示设备的最大数据传输速率，如“光耦合器传播…”图形所示。最大传播延迟tP(MAX)是tPHL或tPLH中较大者。光耦合器传输NRZ(非归零)数据时，要求数据位周期t至少大于tP(MAX)。因此，最大数据速度为:

FNRZ (MAX) =1/t

对于一个时钟信号，它是RZ(归零)数据，例如I2C总线SCL，一个时钟周期包括高周期和低周期相加。对于一个正常的占空比为50%的RZ时钟信号，判断预期RZ数据速率的安全规则是:

fRZ (MAX)

但是，在I2C总线时钟周期中，允许高周期比低周期短。若要在光耦合器上传输占空比小于50%的信号，光耦合器的最大传播延迟tP(MAX)应小于高周期。例如，当考虑隔离400 kHz快模时钟频率和50%占空比(相当于800千比特/秒的数据速率)的I2C总线时，光耦合器的最大传播延迟不能超过1.25 ms。由于I2C总线规范允许快模式时钟高时间低至0.6 ms，因此光耦合器的最大传播延迟必须小于0.6 ms，而不是1.25 ms。

在高速光耦中，脉冲宽度失真(PWD)参数被指定为tPHL和tPLH之间的差值。通常，最小脉冲宽度的20%到30%的PWD是可以容忍的。

当数据在并行信号线上同步传输时，光耦合器的传播延迟倾斜(tPSK)是决定最大并行数据传输速率的重要因素。如果并行数据通过两个单独的光耦合器或一个多通道光耦合器发送，通道之间传播延迟的差异将导致数据在不同的时间到达光耦合器的输出。如果传播延迟的差异足够大，它将限制并行数据通过光耦合器发送的最大速率。

传播延迟倾斜定义为在相同条件下(如相同的驱动电流、电源电压、输出负载和工作温度)工作的任何一组光耦合器通道的最小和最大传播延迟之间的差值。光耦合器的传播延迟倾斜将导致数据和信号线的不确定性。

最小脉冲宽度

一般来说，可以通过平行光耦合器发送的绝对最小脉冲宽度是传播延迟倾斜的两倍。保守的设计应该使用稍长的脉冲宽度，以确保电路中其他地方引起的任何额外不确定性都不会引起问题。I2C总线时钟信号高周期是最短脉冲;因此，两次光耦的传播延时歪斜不应超过I2C时钟的高周期。

I2C总线协议对SCL和SDA信号的电平敏感:在SCL高电平期间，SDA应该稳定在高电平或低电平。I2C总线设备必须在内部提供一个数据保持时间(tHD;DAT)，以连接标准校正线下降沿的高电平和低电平之间的未定义时段。由于光耦会在SDA和SCL信号中产生不确定性，因此数据保持时间应设置为大于tPSK。在SDA数据设置时间(tSU;DAT)中还应考虑tPSK的值。

I2C总线协议还要求连接到总线的发射机设备的输出级为开漏或开集类型，以执行有线与功能。具有开路集电极输出的光耦合器，如安捷伦的hcpll - 063l，可以简单地直接连接到I2C总线线。hcpll - 063l的最大传播延迟为90 ns，显示了传输高速数据的能力，最大传播延迟倾斜低至40 ns，这将提供足够的时间来允许I2C总线数据保持/设置时间。

以太网供电

需要隔离I2C总线接口的应用包括符合IEEE 802.3af标准的以太网供电交换机。下面是一个使用安吉利特hcpld - 063l双通道和hcpld - 060l单通道15 MBd 3.3 V光耦合器的例子。

IEEE 802.3af是一种新兴的行业标准，可以通过以太网电缆分配电力。该网络延续了与IEEE 802.3以太网相同的架构，但在电缆中提供了一对备用线或一对信号线，可以携带- 48v dc，为IP电话、网络摄像头和无线局域网接入点等供电设备供电。电源源设备(PSE)模块用于在开关或集线器处提供- 48v dc。

符合802.3af标准的pse可以在链路段的两个位置进行连接。跨中连接实现了现有以太网交换机外部的PSE技术;endspan(或端点/DTE PSE)连接在交换机内部实现了PSE。一些供应商已经在他们的交换机中集成了跨端PSE，但大多数选择了跨中PSE。

PSE热插拔控制器或电源管理芯片结合I2C总线协议与主机微控制器通信。安捷伦hcpll - 063l指定一分钟隔离电压为3,750 Vrms(符合UL 1577)，这将使以太网供电(POE)交换机满足IEC 60950等电信设备安全标准。hcpll - 063l的15 kV/ms共模瞬态抗扰度将防止来自电源热插拔电路的瞬态电压噪声干扰主控制器侧电路。

光耦合器通过光耦合和隔离边界固有地具有高电磁干扰抗扰性，这有助于使设备可靠并能够满足EMI标准。

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应用实例:光耦合器，I2C

对于需要隔离I2C总线接口的应用，与光耦合器传播延迟相关的参数会影响数据完整性和系统可靠性。需要隔离I2C总线接口的应用包括符合IEEE 802.3af标准的以太网电源交换机和微控制器的模数转换接口。

IEEE 802.3af标准规定，电缆中的备用线对或信号线对均可携带- 48v直流电，为IP电话、网络摄像头、无线局域网接入点等有电设备供电。电源源设备(PSE)模块用于在开关或集线器处提供- 48v dc。PSE将电源分配到以太网网络中，并提供电源管理功能。802.3af规范要求PSE和供电设备的电气隔离与10/100BASE-T以太网物理层的要求一致。

该图显示了POE交换机中的PSE模块。

模拟-数字转换器
这是另一个使用安捷伦科技公司hcpll - 063l双通道和hcpll - 060l单通道15 MBd 3.3 V光耦合器。工业和医疗仪器可能需要混合信号电路和数字电路之间的光学隔离。如果医用仪器传感器/探头承受高压，则需要在模拟传感器和微控制器/数字信号处理器之间进行安全电气绝缘。大多数隔离是为了打破数字和模拟电路之间的任何接地回路，因为非隔离接地会导致系统中的高背景噪声并影响A/D转换精度。

I2C总线在a /D芯片和微控制器之间提供了一个方便的接口，现在市场上已经有了包含内部I2C接口的a /D转换器。

一个双通道光耦合器(如hcpll - 063l)可以将传输时钟和SDA_OUT从MCU/master隔离到ADC/slave，一个单通道光耦合器(如hcpll - 060l)可以将SDA_IN从ADC/slave传输到MCU/master。一个隔离的dc/dc变换器可以从数字系统中获得功率，为A/D变换器和两个光耦另一侧的VDD1-GND1供电。

作者信息

何俊华是安华高技术公司的应用工程师，

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