ディスクリートコンポーネントが I2C バスの難題に対処

東芝エレクトロニクス ヨーロッパの Torsten Siems 氏は、産業用途でコスト効率が高く柔軟な転送を実現するためにディスクリート光アイソレータを使用することを提案しています。

I2C バス アプリケーションでは、安全性と信頼性を確保するために高電圧絶縁が必要になる場合があります。 集積回路間 I2C バスは、構成、監視、制御のためのホスト CPU と周辺デバイス間の通信を可能にするために 1980 年代に導入されました。 元々は短距離のボードレベル通信を目的としていたものですが、その成功によりアプリケーションは拡大し、最大データ処理能力は 100kHz 標準モード、1MHz 高速モード プラス、および 5MHz 超高速モード プラスまで拡張されました。

この規格では、双方向のデータ ラインとクロック ラインで構成される 2 線接続を規定しており、コスト効率よく実装できます。I2C のシンプルさと効率性は、SMBbus や PMBus などの規格に組み込まれた基礎的な通信原理と見なされています。

I2C バスには通常、MCU や SoC などの 1 つのコントローラーと 1 つ以上のターゲット デバイスがあります。 コントローラには、シリアル データ (SDA) およびクロック (SCL) ラインを Low にプルできるオープンコレクタ I/O があり、プルアップ抵抗が必要です。これにより、バス競合を引き起こすことなく複数のコントローラとターゲットを共存させることができます。

コントローラは SDA ラインを使用して、アドレス指定するターゲットとそのターゲット内でアクセスするレジスタを選択します。 ターゲットは要求されたデータを SDA ライン経由で返します。 ターゲットはまた、SDA ラインを使用して、SDA を Low に保持することで要求の正しい受信を確認する (ACK) か、SDA を High にすることで正しい受信を拒否する (NACK) こともできます。

SCL ラインは、バス上のデータ通信の速度を制御します。 この信号は通常単方向ですが、必要に応じて、ACK の生成中に SCL と SDA の両方を Low に保持することで、ターゲットはリクエストに応答する時間を増やすことができます。 これはクロックストレッチとして知られています。

I2C の人気が高まるにつれて、その用途はより長い通信距離が必要な状況にまで広がりました。 このような状況では、接続されたデバイス間のローカル グランド電位の差がシステムのノイズ マージンに影響を与えることがよくあります。 さらに、最大負の I/O 電圧などの重要なデバイス定格を超える可能性があります。

I2C は、I2C 制御信号と AC 主電源の間の安全な絶縁を必要とする産業用オートメーションやドライブ、モーター制御、ソーラー パネルのマイクロインバーター、医療システムなど、共有の接地基準を持てない回路間の通信にも使用されます。

このような状況では、I2C 接続を絶縁する便利な手段が必要であり、単一デバイス内に絶縁回路全体を実装する統合型デジタル アイソレータ IC が利用可能です。 使い方は簡単ですが、高価である可能性があり、ユーザーには同等のものやサプライチェーンの問題から保護するための第 2 のソースがありません。

絶縁接続は標準のフォトカプラを使用して構築できますが、考慮すべき複雑な点がいくつかあります。 1 つは、フォトカプラは通常単方向であるため、SDA および SCL ラインの双方向性です。 さらに、バスを適切に制御できるように、選択したデバイスにはオープンコレクタ出力が必要です。

また、I2C 仕様のタイミング要件も満たさなければなりません。 1 つの側面は、コントローラに対するターゲットの ACK/NACK 応答です。 ACK/NACK 信号は、標準モード (100kHz) 動作で 3.45μs から高速モード + 動作 (1MHz) で 0.45μs の間のセットアップ時間 (tVD; ACK) の後に有効でなければなりません。 データのセットアップにはタイミング制約もあります。 ターゲットは、標準モードでは前のクロック ビットの立ち下がりエッジ後 250ns 以内 (表 11 I2C 仕様 1 による)、高速モード プラスの場合は 50ns 以内に SDA 信号をセットアップする必要があります。

図 1 は、2 対のフォトカプラを SDA ラインと SDL ラインに挿入して絶縁を提供し、双方向通信を維持する方法を示しています。

回路の SDA パスと SCL パスは同じように動作します。 SDA パスに集中すると、抵抗 R1 は SDA 信号を非絶縁側 (NIS) から電源までプルアップし、R8 は絶縁側 (IS) の SDA をプルアップします。 抵抗値は、使用される電源電圧、コントローラまたはターゲットによって見られる容量性負荷、および光アイソレータの出力特性によって異なります。 I2C 仕様の第 7.1 章では、最大値と最小値が定義されています。

R_p(max) =t_r/(0.8473 × C_b )andR_(p(min))=(V_DD-V_(OL(max)))/I_OL

ここで、tr は選択した動作モードの最大許容立ち上がり時間、Cb は推定バス容量です。 VOL と IOL は、光アイソレータの低レベル出力電圧と電流です。

回路はデフォルト状態で、両側の SDA が High にプルされています。 NIS SDA 信号が Low になると、電流が R4 とフォトカプラ I2C の LED を流れます。 これにより、IS SDA 信号が I2C の出力と小信号バリア ダイオード D2 によって Low に引き下げられるため、IS SDA 信号にゼロ状態が渡されます。 IC1 の LED の逆極実装により、ゼロ状態が NIS 側に戻ることが防止され、永続的なゼロ状態が回避されます。 回路は対称であるため、IS 上の SDA で生成されたゼロ状態は、同様に NIS に渡されます。

このアプローチには、20 個のコンポーネント、つまり 4 つのフォトカプラ、4 つのダイオード、および関連する受動素子が必要です。 ダイオードは、双方向 SDA および SCL パスで送信信号を戻り信号から分離します。 特に最速の信号速度で低ノイズと低歪みを確保するには、ショットキー バリア ダイオード (SBD) などの低静電容量を備えている必要があります。 小信号タイプで十分です。 また、低信号レベルが I2C 仕様 (VIL = 0.3VDD) を満たすように、低い順電圧も必要です。

オープンコレクタ光アイソレータの最大出力低電圧 VOL を知ることで、SBD の選択が決まります。 たとえば、TLP2362 フォトカプラは 3750Vrms の絶縁を提供し、最大出力低電圧 VOL が 0.6V (代表値 0.2V) で最大データ転送速度が 10Mbps であり、0.3V VF を備えた SBD により、VDD が 3.3V であっても VIL が仕様内に収まることが保証されます。 。 出力ロジックの動作を安定させるために、TLP2362 の各電源ピン間に必要なセラミック 1µF バイパス コンデンサは 1 つだけです。

I²C ペリフェラルは大きく異なる可能性があるため、この回路と組み合わせて使用​​されるデバイスが光アイソレータの内部 LED に必要な電流を供給できることを確認してください。 この例では、TLP2362 の入力閾値電流 IFHL は最大 5.0mA (通常 1.0mA) です。 より低い電流の場合、たとえば 3.3V で動作する別のフォトカプラの最大 IFHL は 2.4mA (通常 0.9mA) になります。

特定のアプリケーション要件を満たすために、たとえば、LIN バスを直接絶縁するためのより大きな絶縁電圧と沿面距離、より高速なクロック速度、またはより高いロジック レベルを提供する他のデバイスを検討することもできます。

図 2 にフォトカプラを通過する波形を示します。 約 60ns のほぼ対称的な遅延を備えたそのきれいな形状は、高速モード (400kHz) I²C 動作の要件を十分に満たしています。

I2C バス接続での絶縁など、回路を実装する場合は集積度を高めることが望ましいことがよくありますが、ディスクリート光アイソレータを使用すると、柔軟性が向上し、コストが削減され、必要なオープンコレクタ出力構成で I2C タイミング仕様を満たすことができます。