Проектирование надежных изолированных интерфейсов I²C/PMBus

Введение

Важным требованием для промышленных и измерительных приборов, телекоммуникационного и медицинского оборудования является наличие надежного интерфейса для передачи данных. Последовательная шина данных I²C (Inter-Integrated Circuit) — это двухпроводная двунаправленная шина, применяющаяся для соединения низкоскоростных интегральных схем, расположенных на небольших расстояниях друг от друга. I²C была разработана компанией Philips в начале 1980‑х годов как простая шина для связи интегральных схем. До сих пор область ее применения продолжает расширяться. PMBus (Power management bus) — относительно медленный двухпроводной протокол, основанный на I²C и предназначенный для управления цифровыми источниками питания. Протокол PMBus определяется открытым стандартом и облегчает взаимодействие с преобразователями напряжения или другими подключенными устройствами.

На рис. 1 показано, как изоляционный барьер гальванически развязывает каждую систему, подключенную к интерфейсу, позволяет цифровым данным проходить между двумя точками, предотвращая утечку тока на «землю». Это уменьшает искажение сигнала и ошибки за счет снижения шума на передающей шине.

Рис. 1. Функции изоляции

Печатные платы, использующиеся в телекоммуникационных устройствах, часто содержат преобразователи питания с цифровым управлением и схемы, действующие от разных потенциалов «земли». Для обеспечения безопасной установки и извлечения плат и надежной их работы каждый интерфейс должен быть изолирован, но изоляция интерфейса I²C достаточно сложна из-за двунаправленного канала передачи данных. Такая задача не решается с помощью одной оптопары, способной передавать сигнал только в одну сторону. На рис. 2 показана линия связи PMBus с цифровой микросхемой мониторинга питания ADM1075, работающая от напряжения питания –48 В на первичной стороне и с напряжением 12 и 3,3 В на вторичной изолированной стороне. ADM3260 — двухканальный изолятор I²C с DC/DC-преобразователем, изолирующий SDA- и SCL-сигналы. К встроенному изолированному источнику питания (3,3V_ISO) подключен двухканальный цифровой изолятор ADUM3200, обеспечивающий гальваническую развязку по сигналам SHDN и RESTART.

Рис. 2. Изолированная линия связи PMBus

Поскольку первичный контур работает от –48 В, а вторичный подключен к «земле» с нулевым потенциалом, то требуется изоляция, которая предотвращает необратимые повреждения, способные возникнуть, если порт I²C случайно подключить напрямую к –48 В. Изоляция также обеспечивает защиту от высоких напряжений или токов, вызванных перепадами напряжений в сети или «земляными» петлями, которые могут появляться в схеме с несколькими точками заземления. Изолированный канал питания (3,3V_ISO) позволяет запитать первичную часть схемы от вторичной. Таким образом, пропадает необходимость в независимом низковольтном источнике питания, обычно сложном для проектирования при входном напряжении –48 В. Все дополнительные входные и выходные сигналы, пересекающие изоляционный барьер, требуют изоляторов, которые также можно запитать от ADM3260. Для обеспечения надежной линии передачи данных каждое устройство, подключенное к шине I²C, должно быть изолировано.

Примерами изолированных I²C-устройств могут служить:

• изолированные интерфейсы: I²C, SMBus или PMBus;
• преобразователи уровней интерфейсов I²C для источников питания;
• сетевые устройства;
• питание через Ethernet (PoE);
• телекоммуникационное оборудование и оборудование для передачи данных;
• изолированные системы сбора данных;
• распределенные силовые системы –48 В;
• источники питания –48 В.

Изоляторы часто необходимы для передачи данных от прецизионных преобразователей (АЦП или ЦАП) через изолированную шину I²C. На рис. 3 показаны две изолированные системы сбора данных. Эти схемы также требуют изолированного источника питания для преобразователей и усилителей.

Рис. 3. Изолированный I²C с усилителем и с:
а) АЦП;
б) ЦАП

В некоторых схемах необходима изоляция между каналами, где каждый из каналов изолирован от остальных, как, например, в схеме на рис. 4.

Рис. 4. Изолированные каналы I²C, АЦП и усилитель

В более сложных системах нужно преобразование логических уровней разных стандартов, имеющих разные напряжения. На рис. 5 показана типовая схема телекоммуникационного оборудования с несколькими сетевыми картами, которые подключены к общему питанию с напряжением –48 В. В этом примере изоляторы позволяют передать логические сигналы интерфейса I²C от –48‑В панели в полностью изолированную систему с 12‑В питанием.

Рис. 5. Изоляция и передача уровней PMBus сигналов в –48 В схеме

Изолированное питание для линии связи интерфейса I²C может быть получено с помощью изолированного DC/DC-источника питания или интегрированного DC/DC-пре-образователя, выполненного по технологии isoPower от Analog Devices. Изоляция сигнала может быть осуществлена с помощью оптопар или технологии iCoupler от Analog Devices.

Изолированный интерфейс I²C

Между программируемыми устройствами (такими как АЦП или ЦАП) на первичной стороне схемы и процессором на вторичной должна идти двунаправленная передача данных. Питание должно передаваться с первичной на вторичную часть схемы. Для получения изолированной линии передачи данных гальванически развязанными должны быть как непосредственно канал передачи данных, так и источник питания. На рис. 6 показана схема изолированного интерфейса I²C.

Рис. 6. Изолированный I²C-интерфейс

Трудности с изоляцией интерфейса I²C

Из-за того что интерфейс I²C двунаправленный, обеспечить его гальваническую развязку и при этом избежать импульсных помех и защелкиваний достаточно сложно. На рис. 7 показан интерфейс, выполненный с помощью оптопар. Оптопары, по сути, однонаправленные элементы, поэтому каждая двунаправленная линия I²C разделяется на две. В результате для изоляции интерфейса I²C требуется четыре оптопары и несколько пассивных компонентов. При этом стоимость, площадь и сложность печатной платы существенно увеличиваются, что противоречит идее простого дешевого двухпроводного интерфейса I²C. А ведь помимо сигнала требуется еще и изоляция по питанию.

Рис. 7. Изоляция I²C интерфейса с помощью оптопар

Технология изоляции: данные и питание

На рис. 8 приведены принципиальные схемы двух технологий изоляции. iCoupler (рис. 8a) использует тонкопленочную технологию производства для создания микротрансформаторов на кристалле кремния, которые обеспечивают изоляцию 2,5 кВ. Более старая, но широко применяемая технология на оптопарах (рис. 8б) предусматривает светоизлучающие диоды (LED) и фотодиоды. LED преобразует электрический сигнал в свет, а фотодиод преобразует свет обратно в электрический сигнал. Низкая эффективность преобразования электрического сигнала в свет ведет к относительно высокому энергопотреблению, медленное реагирование фотодиодов ограничивает скорость передачи сигнала, а старение сокращает срок жизни светодиодов.

Рис. 8. Сравнение технологий изоляции:
а) iCoupler-изоляция;
б) изоляция с помощью оптопары

Применение тонкопленочной технологии производства микротрансформаторов позволяет с минимальными затратами воспользоваться технологией iCoupler для каждого канала передачи данных вместе с другими возможностями полупроводниковых технологий. Например, двухканальный изолятор I²C ADM3260 с возможностью горячей замены имеет встроенный DC/DC-преобразователь.

Изоляторы iCoupler лишены многих недостатков, имеющихся у оптопар. Они просты в использовании, занимают меньше места на печатной плате, снижают энергопотребление и общую стоимость разрабатываемого устройства, при этом имеют лучшие характеристики и показатели надежности. Изоляторы iCoupler не страдают ухудшением характеристик во времени, связанным со старением коэффициента передачи по току, что наблюдается у стандартных оптопар. Причем iCoupler — это двунаправленная технология, тогда как оптопары однонаправленные.

До недавнего времени для создания низковольтного источника питания на изолированной стороне требовался относительно большой и дорогой независимый DC/DC-преобразователь либо дополнительная схема на дискретных компонентах (рис. 9). Эти подходы были единственными вариантами как для интерфейсов I²C, так и для других схем, требующих небольшую изоляционную мощность.

Рис. 9. Дискретный преобразователь –48 В в 5 В для изоляции питания

Для решения этой проблемы компания Analog Devices разработала интегрированные микросхемы, обеспечивающие передачу сигналов и питания через изоляционный барьер, используя микротрансформаторы. Уже хорошо устоявшаяся технология iCoupler была дополнена технологией isoPower, расширившей номенклатуру цифровых изоляторов Analog Devices. Обеспечение изоляции до 5 кВ по сигналу и питанию за счет только одного компонента устраняет потребность в отдельной схеме изоляции питания и существенно уменьшает площадь печатной платы, время разработки и общую стоимость системы со стандартной шиной I²C.

Двухканальные изоляторы I²C со встроенным DC/DC-преобразователем

На рис. 10 сравниваются изолированный интерфейс PMBus, выполненный на дискретных компонентах, и интерфейс на одной интегрированной микросхеме. В варианте на рис. 10а применяются четыре оптопары, изолированный источник питания и сложная аналоговая схема для предотвращения защелкивания и подавления импульсов. Изолированному источнику питания требуется управляющая схема для трансформатора вместе с выпрямителем напряжения и LDO-регулятор для очистки от шумов изолированного питания. Такая схема содержит восемь микросхем и несколько пассивных компонентов, что существенно усложняет интерфейс, увеличивает цену и размеры печатной платы и снижает надежность конечного изделия.

Рис. 10. Сравнение схем изолированных I²C:
а) схема на дискретных элементах;
б) интегрированная микросхема

Интегрированный вариант обеспечивает полную изоляцию дву-направленного интерфейса I²C и изоляцию питания с помощью одной микросхемы ADM3260 и нескольких развязывающих конденсаторов и подтягивающих резисторов, идущих с любым интерфейсом I²C. ADM3260 свободен от импульсных помех и защелкиваний, обеспечивает изоляцию 2,5 кВ, подтвержденную стандартом UL, и выпускается в 20‑контактном SSOP-корпусе.

ADM3260 — это однокристальное решение, которое значительно снижает цену, время разработки и площадь, занимаемую на печатной плате, необходимую для изолированного I²C-интерфейса, при этом увеличивает надежность разрабатываемой схемы. Микросхема может действовать как от напряжения питания 3,3 В, так и от 5 В без дополнительных изменений в схеме, что было бы невозможно при использовании варианта изоляции на дискретных компонентах. Выходная мощность ADM3260 — 150 мВт при 5 В или 65 мВт при 3,3 В, что достаточно для питания АЦП, ЦАП или других небольших устройств на изолированной стороне.

Печатная плата

Для того чтобы гарантированно обеспечить изоляцию 2,5 кВ в реальном устройстве, очень важно правильно сконструировать печатную плату. Принципиальные моменты, которые необходимо учитывать, связаны с длиной пути тока утечки по поверхности (кратчайшие расстояния между проводниками по поверхности печатной платы) и c воздушным зазором (кратчайшее расстояние по воздуху) между «землями» первичной и вторичной стороны схемы. На рис. 11 приведена схема конструкции печатной платы для микросхемы ADM3260 с рекомендованным расположением фильтрующих элементов рядом с контактами питания.

Рис. 11. Рекомендованная разводка печатной платы для ADM3260

ADM3260: применения и особенности

ADM3260 — изолятор с возможностью горячей замены, обеспечивающий изоляцию по каналу передачи данных и по питанию. Два двунаправленных канала передачи данных без защелкивания поддерживают полностью изолированный интерфейс I²C/PMBus, а встроенный DC/DC-преобразователь обеспечивает изолированное питание от 3,15 до 5,25 В мощностью до 150 мВт. Двунаправленная передача данных устраняет необходимость в разделении сигналов I²C/PMBus на два отдельных канала приема и передачи, что используется в устаревшей схеме на оптопарах, а встроенный DC/DC-преобразователь позволяет получить полностью изолированный интерфейс I²C/PMBus в миниатюрном корпусе. ADM3260, показанный на рис. 12, доступен в 20‑контактном SSOP-корпусе шириной 5,3 мм и работает в температурном диапазоне от –40 до +105 °C.

Рис. 12. ADM3260 — изолированный I²C/PMBus-интерфейс

Дополнительно ADM3260 может применяться для изоляции систем сбора данных в жестких промышленных условиях эксплуатации, для обеспечения питания и передачи логических уровней через Ethernet, а также в устройствах с шиной I²C, требующих горячего отключения.

Выводы

Изолированные линии передачи данных I²C/PMBus в промышленности, приборостроении, телекоммуникации и медицине должны иметь небольшие размеры, быть надежными и недорогими. Благодаря интеграции в одну микросхему нескольких изолирующих микротрансформаторов появилась возможность на базе одной микросхемы осуществить полную изоляцию канала передачи данных I²C/PMSus вместе с DC/DC-преобразователем. Двухканальный изолятор I²C ADM3260 со встроенным DC/DC-преобразователем и возможностью горячей замены — это компактная, надежная, дешевая микросхема с прекрасными характеристиками для ресурсоемких разработок, позволяющая значительно снизить сложность схемы и время разработки.