ISO164x熱插拔雙向I2C隔離器：特性、應用與設計要點

在電子工程師的日常設計中，可靠的通信隔離器件至關重要。ISO164x熱插拔雙向I2C隔離器憑借其卓越的性能和豐富的特性，成為了眾多應用場景中的理想選擇。今天，我們就來深入探討一下這款隔離器的相關內(nèi)容。

文件下載：iso1640.pdf

一、ISO164x的特性亮點

1. 可靠的隔離式雙向I2C通信

ISO164x支持可靠的隔離式雙向I2C兼容型通信。其中，ISO1640實現(xiàn)隔離式雙向SDA和SCL通信，而ISO1641則是雙向SDA和單向SCL通信。它還具備熱插拔功能，雙向數(shù)據(jù)傳輸運行頻率高達1.7MHz，能夠滿足大多數(shù)高速通信的需求。

2. 增強EMC且穩(wěn)健的隔離柵

• 長壽命與高隔離等級：在450V RMS工作電壓下（D - 8封裝）和1500VRMS工作電壓（DW - 16封裝）下預計使用壽命會超過100年，隔離等級達到5000VRMS，為系統(tǒng)提供了長期穩(wěn)定的隔離保護。
• 強大的浪涌和ESD防護能力：浪涌能力高達10kV（增強型），CMTI典型值為 ±100kV/μs，能有效抵御各種瞬態(tài)干擾。同時，在整個隔離柵提供 ±8kV IEC - ESD 61000 - 4 - 2接觸放電保護，在SCL2和SDA2（2側(cè)）上的同一側(cè)具有 ±8kV IEC - ESD未上電接觸放電保護，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
• 寬電源電壓范圍：電源電壓范圍為3V至5.5V（1側(cè)）；2.25V至5.5V（2側(cè)），適應不同的電源環(huán)境。開漏輸出為3.5mA（1側(cè)），而灌電流為50mA（2側(cè)），最大容性負載為80pF（1側(cè)）和400pF（2側(cè)），能滿足不同負載的需求。
• 多種封裝與工作溫度范圍：提供16 - SOIC (DW - 16) 和8 - SOIC (D - 8) 封裝選項，工作溫度范圍為 - 40°C至 +125°C，適用于各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。
• 安全相關認證：計劃獲得UL 1577組件認證計劃，以及DIN VDE V 0884 - 11、IEC 62368 - 1、IEC 61010 - 1、IEC 60601 - 1和GB4943.1 - 2011認證，為產(chǎn)品的安全性提供了有力保障。

二、ISO164x的應用領域

1. 隔離式I2C總線

可用于系統(tǒng)管理總線 (SMBus) 和電源管理總線 (PMBus) 接口，實現(xiàn)不同模塊之間的可靠通信，避免信號干擾和地電位差帶來的問題。

2. 以太網(wǎng)供電 (PoE)

在PoE系統(tǒng)中，ISO164x能夠隔離不同電壓域之間的通信，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，同時保護設備免受高壓沖擊。

3. 電機控制系統(tǒng)和電池管理

在電機控制系統(tǒng)中，它可以隔離控制信號和功率信號，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；在電池管理系統(tǒng)中，可實現(xiàn)電池模塊與主控單元之間的可靠通信，保障電池的安全和高效運行。

三、ISO164x的設計要點

1. 電源設計

推薦的電源供應電壓VCC1為3V至5.5V，VCC2為2.25V至5.5V。在VCC1和GND1引腳、VCC2和GND2引腳之間需要連接一個0.1μF的去耦電容，以支持電源電壓的瞬態(tài)變化，并確保在所有數(shù)據(jù)速率下都能可靠運行。同時，TI建議在輸入和輸出電源引腳（VCC1和VCC2）連接一個1μF的旁路電容，并將其盡可能靠近電源引腳放置。如果應用中只有一個初級側(cè)電源，可借助變壓器驅(qū)動器（如TI的SN6501設備）為次級側(cè)生成隔離電源。

2. 電路連接

雖然ISO1640具有雙向數(shù)據(jù)通道，但為了實現(xiàn)最佳性能，建議將側(cè)1（SDA1和SCL1）連接到I2C網(wǎng)絡的單個控制器或節(jié)點，而側(cè)2（SDA2和SCL2）連接到I2C總線。電源電容應盡可能靠近電源引腳放置，推薦的電容放置位置距離輸入和輸出電源引腳最大為2mm。輸入線SDA1和SCL1的最大允許負載為 ≤80pF，輸出線SDA2和SCL2的最大允許負載為 ≤400pF。輸入線SDA1和SCL1到VCC1的最小上拉電阻應選擇為使輸入電流 ≤3.5mA，輸入線SDA2和SCL2到VCC2的最小上拉電阻應選擇為使輸出電流 ≤50mA?？偩€線上拉電阻的最大值取決于負載和上升時間要求，以符合I2C協(xié)議。

3. PCB布局

為了實現(xiàn)低EMI的PCB設計，至少需要四層板。層疊順序應為：高速信號層、接地層、電源層和低頻信號層。將高速走線布置在頂層可以避免使用過孔，從而減少電感的引入，并確保隔離器與數(shù)據(jù)鏈路的發(fā)射器和接收器電路之間的互連清晰。在高速信號層旁邊放置一個實心接地層，可以為傳輸線互連建立受控阻抗，并為回流電流提供低電感路徑。將電源層放置在接地層旁邊，可以創(chuàng)建約100pF/in2的額外高頻旁路電容。將低速控制信號布置在底層可以提供更大的靈活性，因為這些信號鏈路通常有一定的余量來容忍過孔等不連續(xù)性。如果需要額外的電源電壓層或信號層，可以在層疊中添加第二個電源或接地層系統(tǒng)，以保持對稱性，使層疊結(jié)構(gòu)機械穩(wěn)定，防止翹曲，并顯著增加高頻旁路電容。對于詳細的布局建議，可參考《Digital Isolator Design Guide (SLLA284)》。

四、ISO164x的絕緣壽命

絕緣壽命預測數(shù)據(jù)是通過行業(yè)標準的時間相關介電擊穿 (TDDB) 測試方法收集的。在該測試中，將隔離柵兩側(cè)的所有引腳連接在一起，形成一個兩端子設備，并在兩側(cè)施加高壓。對于基本絕緣，VDE標準要求使用故障率低于1000 ppm的TDDB投影線；對于加強絕緣，要求使用故障率低于1 ppm的TDDB投影線。盡管預期的最小絕緣壽命為20年，但在指定的工作隔離電壓下，VDE基本和加強認證要求工作電壓有20%的額外安全裕度。對于基本認證，設備壽命需要30%的安全裕度，即在比指定值高20%的工作電壓下，最小絕緣壽命為26年；對于加強絕緣，設備壽命需要87.5%的安全裕度，即在比指定值高20%的工作電壓下，最小絕緣壽命為37.5年。根據(jù)TDDB數(shù)據(jù)，8 - D封裝的絕緣固有能力為450 VRMS，壽命超過100年；16 - DW封裝的絕緣固有能力為1500 VRMS，壽命超過135年。在較低的工作電壓下，相應的絕緣壽命會更長。

五、總結(jié)

ISO164x熱插拔雙向I2C隔離器以其出色的特性、廣泛的應用領域和明確的設計要點，為電子工程師提供了一個可靠的通信隔離解決方案。在實際設計中，我們需要充分考慮其特性和要求，合理進行電源設計、電路連接和PCB布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時，對于絕緣壽命的考慮也有助于我們在長期使用中保障設備的性能。希望本文能為大家在使用ISO164x進行設計時提供一些有價值的參考。你在使用類似隔離器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。