简易I2C 隔离器的设计方案
如果您的设计涉及许多工业接口，那么当您在各大半导体厂商的官方网站上看到琳琅满目的RS-485、RS-232、CAN和I2C信号隔离器时，您会发现自己像一个进到糖果店里的小孩一样兴奋不已。但是，当您想要采购经理批准购买这些产品时，他会立马给您泼上一盆冷水：“不能利用一些已有的标准组件吗？不管用什么方法，把它们都利用起来？”
今后碰到这种情况，您可以热情洋溢的回答“没问题”了，因为本文将为您介绍一小部分工业接口电路，它们几乎都只使用一个标准隔离器。图 1-4 显示了工业应用中最为常见的数字接口的简化示意图。
图 1 隔离式 RS-485 总线接口 图 2 隔离式 CAN 总线接口
图 3 隔离式 RS-232 线路接口 图 4 多主机应用隔离式 I2C 总线接口
请注意，为了便于说明，我们省略了旁路电容器和上拉/下拉电阻器。首批三个电路都有一个异步数据传输模式，其使用两条数据线路和一条控制线路，用于驱动器/接收器激活。这样，在节点控制器和标准兼容收发器芯片之间便只需一个三重隔离器了。
图 4 所示隔离式 I2C（inter-integrated circuit，IIC）表示一种特殊情况，因为它支持仅有几英寸长的短通信链路，因此不需要线路收发器。在一些多主机应用中，两个节点会同时访问总线。为了防止信号转回其源，我们使用一个双向缓冲器来支持从R(x,y) 到 S(x,y) 的接收传输以及 S(x,y) 到 T(x,y) 的发送传输，而非R(x,y) 到 T(x,y) 的直接回环。
幸运的是，多主机设计只是少数情况，大多数都是单主机应用。因此，我们可以极大地简化图 4 所示电路。
由于是单主机，时钟信号 (SCL) 仅需单向传输，从而将时钟隔离减少至一条通道。然后，用一个晶体二极管开关代替双向缓冲器，这样隔离层（图 5）每端将电路简化至我们的标准三重隔离器（图 6）。
图 5 利用晶体管开关隔离发送和接收路径
在待机模式下，隔离器输入 A 和 C 通过 R2 和 R4 被拉至高电平，推高输出 B 和 D。另外，主和从数据线路（SDA1 和 SDA2）通过 RPU1 和 RPU2 被拉至高电平。当主机通过拉低 SDA1 开始通信时，Q1 发射极结点被正向偏置，而 Q1 将输入 A 拉至低电平。输出B 跟着变为低电平，并正向偏置 D2。D2 拉低 SDA2。与此同时，Q2 发射极结点被反向偏置，并且 Q2 保持高阻抗。开关顺序相同，仅在从数据线路响应时反向。
图6 单主机应用隔离式I2C总线接口
图 6 显示了最终的电路情况。至少使用 0.1Μf 电容器来对芯片电源进行缓冲。通过 1k 到 10k电阻器，始终将激活输入端连接至各个电源轨。这些电阻器可控制进入电源线路的浪涌瞬态所引起的芯片突入电流。利用滤波器电容（此处为 220pF）来抑制敏感的 CMOS 输入噪声，是一种较好的模拟设计方法。
没有隔离电源，隔离设计便不完整。图 7 显示了一种低成本、隔离式 DC/DC 转换器设计，用于替代昂贵的集成 DC/DC 模块。主副电源均可以在 3.3V 和 5V 之间变化。下列表格列出了三种电源组合的相应组件。
图 7 隔离式DC/DC转换器
下次，我们将讨论如何利用 SPICE 设计一种低功耗、高精度 PID 温度控制环路，敬请期待。