Los componentes discretos abordan el enigma del bus I2C

Torsten Siems, de Toshiba Electronics Europe, sugiere utilizar aisladores ópticos discretos para una transferencia rentable y flexible en aplicaciones industriales.

Las aplicaciones de bus I2C a veces requieren aislamiento de alto voltaje para garantizar la seguridad y la confiabilidad. El bus I2C de circuito interintegrado se introdujo en la década de 1980 para permitir la comunicación entre una CPU host y dispositivos periféricos para configuración, monitoreo y control. Originalmente diseñado para comunicación de corto alcance a nivel de placa, su éxito ha hecho que las aplicaciones se multipliquen y la capacidad máxima de manejo de datos se extienda para incluir el modo estándar de 100 kHz, el modo rápido plus de 1MHz y el modo ultrarrápido plus de 5MHz.

El estándar especifica una conexión de dos hilos que comprende datos bidireccionales y líneas de reloj, que se pueden implementar de manera rentable. La simplicidad y eficiencia de I2C han visto los principios de comunicación subyacentes incorporados en estándares como SMBbus y PMBus.

El bus I2C generalmente tiene un controlador, como una MCU o SoC, y uno o más dispositivos de destino. El controlador tiene E/S de colector abierto que pueden reducir las líneas de datos en serie (SDA) y reloj (SCL) y necesita una resistencia pull-up, lo que permite que varios controladores y objetivos coexistan sin causar contención de bus.

El controlador usa la línea SDA para seleccionar el objetivo a abordar y el registro para acceder dentro de ese objetivo. El objetivo devuelve los datos solicitados a través de la línea SDA. Los objetivos también usan la línea SDA para reconocer la recepción correcta de la solicitud (ACK) manteniendo SDA baja o negar la recepción correcta (NACK) dejando que SDA sea alta.

La línea SCL controla la velocidad de la comunicación de datos a través del bus. Esta señal suele ser unidireccional, aunque un objetivo puede obtener más tiempo para responder a una solicitud, si es necesario, manteniendo SCL y SDA bajos mientras genera un ACK. Esto se conoce como estiramiento del reloj.

A medida que ha crecido la popularidad de I2C, sus usos se han extendido a situaciones que requieren distancias de comunicación más largas. En estas situaciones, es bastante común que las diferencias en el potencial de tierra local entre los dispositivos conectados afecten los márgenes de ruido del sistema. Además, se pueden exceder los valores nominales críticos del dispositivo, como el voltaje de E/S negativo máximo.

I2C también se usa para comunicarse entre circuitos que no pueden tener una referencia de tierra compartida, como automatización industrial y variadores, controles de motores, microinversores de paneles solares y sistemas médicos que requieren aislamiento de seguridad entre las señales de control I2C y la alimentación de CA.

Estas situaciones requieren un medio conveniente para aislar las conexiones I2C y hay circuitos integrados de aisladores digitales integrados disponibles que implementan todo el circuito de aislamiento en un solo dispositivo. Si bien son fáciles de usar, pueden ser costosos y dejar al usuario sin equivalentes o una segunda fuente para protegerse contra los problemas de la cadena de suministro.

Se puede construir una conexión aislada usando optoacopladores estándar, aunque hay algunas complicaciones a considerar. Una es la naturaleza bidireccional de las líneas SDA y SCL porque los optoacopladores suelen ser unidireccionales. Además, los dispositivos elegidos deben tener salidas de colector abierto para permitir un control adecuado del bus.

También deben poder satisfacer los requisitos de tiempo de la especificación I2C. Un aspecto es la respuesta ACK/NACK del objetivo al controlador. La señal ACK/NACK debe ser válida después de un tiempo de configuración (tVD; ACK) de entre 3,45 µs en funcionamiento en modo estándar (100 kHz) y 0,45 µs en funcionamiento en modo rápido plus (1 MHz). También hay restricciones de tiempo para la configuración de datos. Un objetivo debe configurar la señal SDA dentro de los 250 ns después del flanco descendente del bit de reloj anterior en modo estándar (de acuerdo con la Tabla 11 I2C Especificación 1), y en 50 ns para el modo rápido plus.

La Figura 1 muestra cómo se pueden insertar dos pares de optoacopladores en las líneas SDA y SDL para proporcionar aislamiento y preservar la comunicación bidireccional.

Las rutas SDA y SCL del circuito funcionan de manera idéntica. Concentrándose en la ruta SDA, la resistencia R1 extrae la señal SDA desde el lado no aislado (NIS) hasta el suministro, mientras que R8 extrae SDA en el lado aislado (IS). Los valores de resistencia dependen de la tensión de alimentación utilizada, la carga capacitiva vista por el controlador o el objetivo y las características de salida del optoaislador. El capítulo 7.1 de la especificación I2C define valores máximos y mínimos:

R_p(máx) =t_r/(0,8473 × C_b) y R_(p(mín))=(V_DD-V_(OL(máx)))/I_OL

donde tr es el tiempo de subida máximo permitido para el modo de operación seleccionado y Cb es la capacitancia del bus estimada. VOL e IOL son la corriente y el voltaje de salida de bajo nivel del optoaislador.

El circuito está en su estado predeterminado con SDA en ambos lados en alto. Cuando la señal NIS SDA baja, la corriente fluye a través de R4 y el LED del optoacoplador I2C. Esto pasa el estado cero a la señal IS SDA a medida que la salida de I2C y el diodo de barrera de pequeña señal D2 la bajan. La implementación del polo inverso del LED en IC1 evita que el estado cero regrese al lado NIS, evitando así un estado cero permanente. Como el circuito es simétrico, un estado cero generado en SDA en el IS pasa al NIS de la misma manera.

Este enfoque requiere 20 componentes, es decir, cuatro optoacopladores, cuatro diodos y pasivos asociados. Los diodos separan la señal de envío de la señal de retorno en las rutas bidireccionales SDA y SCL. Deben tener una capacitancia baja, como los diodos de barrera Schottky (SBD), para garantizar un ruido y una distorsión bajos, especialmente a las velocidades de señalización más rápidas. Los tipos de pequeña señal son suficientes. También deben tener un voltaje directo bajo para garantizar que el nivel de señal bajo cumpla con la especificación I2C (VIL = 0.3VDD).

Conocer el VOL de bajo voltaje de salida máxima de un optoaislador de colector abierto dicta la elección de SBD. Por ejemplo, el optoacoplador TLP2362 proporciona un aislamiento de 3750 Vrms y tiene una tasa de transferencia de datos máxima de 10 Mbps con un VOL de bajo voltaje de salida máximo de 0,6 V (0,2 V típico), un SBD con VF de 0,3 V garantiza que VIL esté dentro de las especificaciones incluso con VDD de 3,3 V . Solo se requiere un capacitor de derivación cerámico de 1 µF entre cada pin de alimentación del TLP2362 para estabilizar el funcionamiento de la lógica de salida.

Los periféricos I²C pueden variar mucho, por lo tanto, verifique que los dispositivos utilizados junto con este circuito puedan entregar la corriente requerida por el LED interno del optoaislador. En este ejemplo, el umbral de corriente de entrada IFHL del TLP2362 es de 5,0 mA como máximo (típico 1,0 mA). Para una corriente más baja, otro optoacoplador que funcione, por ejemplo, a 3,3 V, tendrá un IFHL máximo de 2,4 mA (típico 0,9 mA).

Se pueden considerar otros dispositivos para cumplir con los requisitos específicos de la aplicación, por ejemplo, para proporcionar mayor voltaje de aislamiento y distancia de fuga, una velocidad de reloj más rápida o niveles lógicos más altos para aislar el bus LIN directamente.

La Figura 2 muestra la forma de onda que pasa a través del optoacoplador. Su forma limpia con un retraso casi simétrico de alrededor de 60 ns está dentro de los requisitos para el funcionamiento en modo rápido (400 kHz) I²C.

Si bien a menudo se prefiere una mayor integración cuando se implementan circuitos, como el aislamiento en conexiones de bus I2C, los optoaisladores discretos pueden proporcionar una mayor flexibilidad o un menor costo y cumplir con las especificaciones de temporización I2C con la configuración de salida de colector abierto necesaria.