確保光學(xué)隔離的3.3V IC總線中的數(shù)據(jù)完整性

簡(jiǎn)介

IC互聯(lián)總線(PC總線)的應(yīng)用正越來(lái)越廣泛地?cái)U(kuò)展到包括消費(fèi)電子、通信設(shè)備和工業(yè)設(shè)備中。在實(shí)際應(yīng)用所有情況下,3.3V IPC總線接口都使用低電壓光電耦合器來(lái)隔離電流信號(hào)。在最少元件配置中,使用三個(gè)高速光電耦合器隔離CLK,SDA_in和SDA_out線路信號(hào)。

本文討論了對(duì)要求隔離I2C總線接口的應(yīng)用與光電耦合器傳播延遲時(shí)間有關(guān)的參數(shù)怎樣影響數(shù)據(jù)完整性和系統(tǒng)可靠性，包括IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)兼容的以太網(wǎng)在線供電交換機(jī)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器到微控制器的接口。我們?cè)趯?shí)例中使用安捷倫HCPL-063L雙通道和HCPL-06OL單通道15 MBd 3.3V光電耦合器。

PC總線基礎(chǔ)知識(shí)

12C總線是飛利浦半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)字信號(hào)通信協(xié)議。它在接口端口中只要求兩條導(dǎo)線和極少的硬件,互連的設(shè)備通過(guò)軟件尋址。主設(shè)備和從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)速率范圍為標(biāo)準(zhǔn)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。兩條導(dǎo)線分別承載SDA數(shù)據(jù)和SCL時(shí)鐘,SDA的每個(gè)數(shù)據(jù)位在每個(gè)SCL時(shí)鐘的高電平時(shí)上讀取。在此期間，數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定。只有在SCL線路上的時(shí)鐘信號(hào)為低時(shí),數(shù)據(jù)線才能實(shí)行高到低或低到高狀態(tài)轉(zhuǎn)換(圖1)。

圖1 IC總線時(shí)序圖

PC總線中的光電耦合器傳播延遲

應(yīng)用環(huán)境要求在IC總線接口進(jìn)行電流隔離，以保證無(wú)差錯(cuò)傳送數(shù)據(jù)和安全隔離高壓設(shè)備。適當(dāng)?shù)墓怆婑詈掀骺梢蕴峁┻@種隔離能力。

高速光電耦合器的速率范圍從100千波特(kBd)到50兆波特(MBd)，可以用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接口隔離。IC總線接口的相應(yīng)光電耦合器主要取決于應(yīng)用的速度和傳播延遲要求。

首先,光電耦合器的最大高到低和低到高傳播延遲(TPHL,和tPHL)將決定器件的最大數(shù)據(jù)傳輸速率(圖2a)。最大傳播延遲 tP(MAX)以tPHL或tPLH中的高者為準(zhǔn)。傳輸NRZ(非歸零)數(shù)據(jù)的光電耦合器要求數(shù)據(jù)位周期至少要高于(tp(MAX)≥TP(MAx)

因此,最大數(shù)據(jù)速率是: FNRz (MAx)=1/t≤1/tP(MAx)

時(shí)鐘信號(hào)被認(rèn)為是RZ(歸零)數(shù)據(jù)，如IC總線SCL;時(shí)鐘周期同時(shí)包括高電平時(shí)間和低電平時(shí)間: t=tHIGH+tLow

對(duì)一般50%占空比的RZ時(shí)鐘信號(hào)，判斷RZ據(jù)速率的安全規(guī)則是: fRz(MAx)≤1/2(tp(Mx)

圖2光電耦合器傳播延遲和偏差

但是，在PC總線時(shí)鐘周期中,允許高電平時(shí)間短于低電平時(shí)間。要使光電耦合器傳送占空比小于50%的信號(hào)，光電耦合器的最大傳播延遲t(MAX)應(yīng)小于高電平時(shí)間: tHIGH≥tP(MAX)

例如,在考慮隔離400 kHz快速模式時(shí)鐘頻率和50%占空比的IC總線時(shí)(相當(dāng)于數(shù)據(jù)速率為800 kBd)，光電耦合器的最大傳播延遲不能超過(guò)1.25 us。由于I2C總線規(guī)范允許快速模式時(shí)鐘高電平時(shí)間最短為0.6 us，因此光電耦合器的最大傳播延遲tp(MAx) 必須短于0.6 us,而不是1.25us。

在高速光電耦合器中,脈寬失真(PWD)參數(shù)是tPHL和 tPLH之差。一般來(lái)說(shuō)，PWD值在最小數(shù)據(jù)脈寬的20%-30%之間是容許的。

在并行數(shù)據(jù)信號(hào)同時(shí)傳輸多通線路時(shí),光電耦合器的傳播延遲偏差tpsx是一個(gè)重要系數(shù),它決定著最大并行數(shù)據(jù)傳輸速率。如果并行數(shù)據(jù)通過(guò)兩個(gè)單獨(dú)的光電耦合器或通過(guò)一個(gè)多通道光電耦合器傳送，那么通道之間的傳播延遲差異將導(dǎo)致數(shù)據(jù)以不同的時(shí)間到達(dá)光電耦合器的輸出。如果這種傳播延遲差足夠大，那么它將限制可以通過(guò)光電耦合器傳輸并行數(shù)據(jù)的最大速率。

如圖2b所示,傳播延遲偏差定義為在相同條件下(即相同驅(qū)動(dòng)電流、供電電壓、輸出負(fù)荷和工作溫度)對(duì)任何光電耦合器通道組，tpLH和/或tPHL最小和最大傳播延遲之差。光電耦合器的tpsx將在數(shù)據(jù)線路和信號(hào)線路中導(dǎo)致不確定性。一般來(lái)說(shuō)，可以傳輸通過(guò)并行光電耦合器的絕對(duì)最小數(shù)據(jù)脈寬是t.s的兩倍。保守設(shè)計(jì)應(yīng)使用略長(zhǎng)的脈寬，保證電路中其它地方引起的任何額外不確定性不會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。l2C總線時(shí)鐘信號(hào)高電平時(shí)間是最短的脈沖，因此兩倍的光電耦合器傳播延遲偏差不應(yīng)超過(guò)I2℃時(shí)鐘的高電平時(shí)間。

PC總線協(xié)議對(duì)SCL和SDA信號(hào)電平敏感:SDA應(yīng)在SCL高電平時(shí)間中穩(wěn)定在高電平或低電平。l2C總線器件必須在內(nèi)部提供一個(gè)數(shù)據(jù)保持時(shí)間 tHD:oAT，以過(guò)渡在SCL信號(hào)下降沿時(shí)的高電平和低電平的不確定期。由于光電耦合器將在SDA信號(hào)和SCL信號(hào)中產(chǎn)生不確定性，數(shù)據(jù)保持時(shí)間t;DAT應(yīng)設(shè)置成大于tsx。SDA 數(shù)據(jù)建立時(shí)間tsupAr中也應(yīng)考慮tpsx的值。

PC總線協(xié)議還要求連接到總線上的發(fā)送器件的輸出電路必須是漏電極-開(kāi)路或集電極-開(kāi)路,以執(zhí)行連線邏輯與功能。安捷倫HCPL-O63L光電耦合器擁有一個(gè)集電極–開(kāi)路輸出。根據(jù)其技術(shù)參數(shù), t-MAx)是90 ns,這表明了其傳輸高速數(shù)據(jù)的能力最大傳播延遲偏差tsK最低是40 ns，它將提供足夠的時(shí)間允許PC總線設(shè)置數(shù)據(jù)保持時(shí)間/建立時(shí)間。

隔離以太網(wǎng)供電中的熱插拔控制器

新興行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3af可以通過(guò)以太網(wǎng)電纜傳輸電力。這一網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)承接IEEE 802.3以太網(wǎng)絡(luò),但在電纜中通過(guò)一對(duì)備用線或信號(hào)線對(duì)來(lái)傳載-48 VDc電力，為IP電話、網(wǎng)絡(luò)像機(jī)和無(wú)線局域網(wǎng)接入點(diǎn)等被供電設(shè)備(PDs)供電。供電設(shè)備(PSE)用來(lái)在以太網(wǎng)交換機(jī)或集線器上提供-48 VDC電源。

從以太網(wǎng)鏈接路段看，802.3af標(biāo)準(zhǔn)PSE可以連接在兩個(gè)位置。中間方式連接在現(xiàn)有以太網(wǎng)交換機(jī)外部實(shí)現(xiàn)PSE技術(shù)，終端方式(或終點(diǎn)/DTE PSE)則連接在交換機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)PSE。到目前為止，大部分廠商選擇了中間方式PSE，但也有一些廠商在交換機(jī)中集成了終端方式PSE。

PSE不僅把電力分配到以太網(wǎng)絡(luò)中,它還提供了功率管理功能。功率管理功能搜索鏈路段，看是否存在PD，對(duì)PD的額定功率分類(lèi)，然后在檢測(cè)到PD時(shí)為鏈路供電，監(jiān)測(cè)鏈路段上的電流，在PD斷開(kāi)連接或不再要求電源時(shí)從鏈路段中去掉電力。

在PSE和PD設(shè)備中802.3af規(guī)范要求電氣隔離，這與10/10OBASE-T以太網(wǎng)的物理層(PHY)要求相一致。如前所述,PSE熱插拔控制器采用縣-48V電源,這個(gè)電源連接到LAN數(shù)據(jù)電纜的備用線對(duì)或信號(hào)線對(duì)上。熱插拔控制器與主控制電路之間要求電氣隔離。

如圖3所示，PSE熱插拔控制器或電源管理芯片利用PC總線協(xié)議來(lái)與主機(jī)微控制器通信。在本例中，兩個(gè)HCPL-063L雙通道3.3V光電耦合器隔離熱插拔控制器芯片和主機(jī)微控制器之間的IPC總線接口。其中一個(gè)HCPL-O63L的兩條通道把時(shí)鐘和SDA_IN數(shù)據(jù)從主控制器╱主器件傳送到熱控制器/從器件，另一個(gè)HCPL-063L的一條通道把SDA_OUT數(shù)據(jù)從從器件反向傳送到主器件。第二條通道可以接口額外的功能，如端口請(qǐng)求/中斷信號(hào)。LED輸入電阻器采用保守設(shè)計(jì)，要求提供的輸入電流大于5 mA閾值電流。我們推薦采用小于200的電阻器，把LED驅(qū)動(dòng)電流限制在大于7.5 mA。在主控制器和熱插拔控制器之間兩個(gè)3.3 V電源必須相互隔離。

圖3: POE交換機(jī)800 PSE中光電耦合器隔離的12c總線

安捷倫HCPL-O63L隔離電壓達(dá)到3750 Vrmg/1分鐘(根據(jù)UL1577測(cè)試),使得以太網(wǎng)供電交換機(jī)能夠滿足電信設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn),如lEC 60950。HCPL-O63L的15kV/us抗共模瞬變能力將防止來(lái)自電源熱插拔電路的瞬時(shí)電壓噪聲擾亂主控制器一側(cè)的電路。

圖4模數(shù)轉(zhuǎn)換中光電耦合器隔離的PC總線

模數(shù)轉(zhuǎn)換器РC接口(圖4)

工業(yè)和醫(yī)療儀器可能要求在混合信號(hào)和數(shù)字電路之間實(shí)現(xiàn)光學(xué)隔離。如果醫(yī)療儀器傳感器/探頭接觸到高電壓,那么在模擬傳感器和微控制器/數(shù)字信號(hào)處理器之間需要安全電氣絕緣。大多數(shù)電氣隔離的目的是斷開(kāi)數(shù)字電路和模擬電路之間的任何接地環(huán)路，因?yàn)槲锤綦x的接地可能會(huì)在系統(tǒng)中導(dǎo)致很高的背景噪聲，影響模數(shù)轉(zhuǎn)換精度。

I2C總線在模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片和微控制器之間提供了一個(gè)方便的接口。市場(chǎng)上已經(jīng)能找到內(nèi)部包含F(xiàn)C接口的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

一個(gè)雙通道光電耦合器(如HCPL-063L)可以隔離從MCU/主器件到ADC/從器件的時(shí)鐘和SDAout傳輸，一個(gè)單通道光電耦合器(如HCPL-O6OL)把 SDAin、從ADC/從器件傳輸?shù)組CU/主器件上。隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器可以從數(shù)字系統(tǒng)中導(dǎo)出電源，為模數(shù)轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)光電耦合器另一側(cè)的Vdd1-GND1供電。

總之，在設(shè)計(jì)光學(xué)隔離I2C總線并行的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，要求考慮到光電耦合器傳播延遲和偏差性能。具有開(kāi)路–集電極輸出的光電耦合器可以簡(jiǎn)便地直接連接到IP℃總線線路上。光電耦合器本身固有的光學(xué)耦合和電氣隔離區(qū)間可以實(shí)現(xiàn)的極高的抗電磁干擾能力，幫助保證設(shè)備可靠性及能夠滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)。

審核編輯：湯梓紅