I2C 버스 난제를 해결하는 개별 부품

Toshiba Electronics Europe의 Torsten Siems는 산업 응용 분야에서 비용 효율적이고 유연한 전송을 위해 개별 광학 절연체 사용을 제안합니다.

I2C 버스 애플리케이션에는 때때로 안전과 신뢰성을 보장하기 위해 고전압 절연이 필요합니다. 내부 집적 회로 I2C 버스는 구성, 모니터링 및 제어를 위해 호스트 CPU와 주변 장치 간의 통신을 가능하게 하기 위해 1980년대에 도입되었습니다. 원래 단거리 보드 레벨 통신을 위해 고안된 이 제품의 성공으로 애플리케이션이 증가했으며 최대 데이터 처리 기능이 100kHz 표준 모드, 1MHz 고속 모드 플러스 및 5MHz 초고속 모드 플러스를 포함하도록 확장되었습니다.

이 표준은 비용 효율적으로 구현할 수 있는 양방향 데이터 및 클록 라인으로 구성된 2선 연결을 지정합니다. I2C의 단순성과 효율성은 SMBbus 및 PMBus와 같은 표준에 구현된 기본 통신 원리를 보여줍니다.

I2C 버스에는 일반적으로 MCU 또는 SoC와 같은 하나의 컨트롤러와 하나 이상의 대상 장치가 있습니다. 컨트롤러에는 직렬 데이터(SDA) 및 클록(SCL) 라인을 로우로 풀 수 있는 오픈 컬렉터 I/O가 있으며 풀업 저항이 필요합니다. 이를 통해 여러 컨트롤러와 대상이 버스 경합을 일으키지 않고 공존할 수 있습니다.

컨트롤러는 SDA 라인을 사용하여 주소를 지정할 대상과 해당 대상 내에서 액세스할 레지스터를 선택합니다. 대상은 SDA 라인을 통해 요청된 데이터를 반환합니다. 또한 대상은 SDA 회선을 사용하여 SDA를 낮게 유지하여 요청의 올바른 수신(ACK)을 확인하거나 SDA를 높게 설정하여 올바른 수신(NACK)을 거부합니다.

SCL 라인은 버스를 통한 데이터 통신 속도를 제어합니다. 이 신호는 일반적으로 단방향이지만 필요한 경우 ACK를 생성하는 동안 SCL과 SDA를 모두 낮게 유지하여 대상이 요청에 응답하는 데 더 많은 시간을 얻을 수 있습니다. 이를 시계 스트레칭이라고 합니다.

I2C의 인기가 높아짐에 따라 더 긴 통신 거리가 필요한 상황으로 용도가 확대되었습니다. 이러한 상황에서는 연결된 장치 간의 로컬 접지 전위 차이가 시스템의 노이즈 마진에 영향을 미치는 것이 매우 일반적입니다. 또한 최대 네거티브 I/O 전압과 같은 중요한 장치 정격이 초과될 수 있습니다.

I2C는 또한 I2C 제어 신호와 AC 주 전원 사이의 안전 절연이 필요한 산업 자동화 및 드라이브, 모터 제어, 태양광 패널 마이크로인버터 및 의료 시스템과 같이 공유 접지 기준을 가질 수 없는 회로 간 통신에도 사용됩니다.

이러한 상황에서는 I2C 연결을 절연하는 편리한 수단이 필요하며 단일 장치에 전체 절연 회로를 구현하는 통합 디지털 절연기 IC가 있습니다. 사용하기 쉽지만 비용이 많이 들고 사용자에게 공급망 문제로부터 보호할 수 있는 동등한 제품이나 보조 소스가 없을 수 있습니다.

표준 광커플러를 사용하여 격리된 연결을 구축할 수 있지만 고려해야 할 몇 가지 복잡성이 있습니다. 그 중 하나는 광커플러가 일반적으로 단방향이기 때문에 SDA 및 SCL 라인의 양방향 특성입니다. 또한 선택한 장치에는 버스를 적절하게 제어할 수 있도록 개방형 컬렉터 출력이 있어야 합니다.

또한 I2C 사양의 타이밍 요구 사항을 충족할 수 있어야 합니다. 한 가지 측면은 컨트롤러에 대한 대상의 ACK/NACK 응답입니다. ACK/NACK 신호는 표준 모드(100kHz) 작동에서 3.45μs, 고속 모드 + 작동(1MHz)에서 0.45μs 사이의 설정 시간(tVD; ACK) 후에 유효해야 합니다. 데이터 설정에는 타이밍 제약도 있습니다. 대상은 표준 모드(표 11 I2C 사양 1에 따름)에서 이전 클록 비트의 하강 에지 후 250ns 이내에 SDA 신호를 설정해야 하며 고속 모드 플러스에서는 50ns 내에 설정해야 합니다.

그림 1은 두 쌍의 광커플러를 SDA 및 SDL 라인에 삽입하여 격리를 제공하고 양방향 통신을 보존하는 방법을 보여줍니다.

회로의 SDA 및 SCL 경로는 동일한 방식으로 작동합니다. SDA 경로에 집중하면 저항 R1은 비절연 측(NIS)에서 전원까지 SDA 신호를 풀링하고, R8은 절연 측(IS)에서 SDA 신호를 풀업합니다. 저항 값은 사용된 공급 전압, 컨트롤러 또는 대상에서 확인되는 용량성 부하, 광절연체 출력 특성에 따라 달라집니다. I2C 사양의 7.1장은 최대값과 최소값을 정의합니다.