I2C总线：何时使用I2C缓冲器

通信

本文讨论了使用I2C缓冲区的用例，好处和应用。
在用于嵌入式设备的所有串行接口中，I 2 C是我个人最喜欢的。尽管I2 C的吞吐率可能与其他串行通信方法不一样，但它具有仅用两条线路控制那么多设备的能力，同时拥有多个主设备，这使得I 2 C对于嵌入式工程师来说是一种了不起的工具，它可以尝试管理成本，引脚数，和复杂性。
但是，有时设计约束可能会使I 2 C实现复杂化。I 2 C缓冲区是一种可以使事情变得容易一些的工具。
考虑I 2 C总线电容使用7位寻址方案，理论上可以将128个设备连接到I 2 C总线。其中一些地址是保留的，仅剩下112个可用。利用新的10位寻址方案，甚至可以连接更多设备。但是，添加到总线上的每个设备都会增加总总线电容，当所有PCB电容和设备电容加在一起时，这可能会令人惊讶地高。为了符合该标准，一旦达到最大400 pF，就不能再在总线上放置任何设备。解决该问题的一种方法是在您的设计中添加一个I 2 C缓冲器。下图取自德州仪器（ti）发布的本应用笔记（PDF），该图显示了具有相关总线电容的典型I 2 C总线。

图1. 具有相关总线电容的典型I 2 C总线。图由TI提供  （PDF）。

介绍I 2 C缓冲器
在标准或快速模式下运行时，I 2 C总线的最大总线电容为400 pF。在快速模式增强版中，此值增加到500 pF。一旦达到该极限，更多的电容将使您超出标准和外部设备规格。在工程师意识到需要增加更多的设备之前，选择并指定了设备和上拉电阻时，这个问题尤其麻烦。
I 2 C缓冲区将I 2 C总线分为两个独立的总线，同时仍允许设备通过它进行通信。由于单独的总线具有单独的总线电容，因此可以有效地减少总的总线电容，无论该缓冲器位于何处。这意味着对于相同的上拉电阻器，我们获得较低的RC时间常数，从而缩短上升时间。这种减少上升时间的能力是使用缓冲区的主要原因之一。

图2.将  缓冲器插入I 2 C总线，将总线电容减半。图采取从本应用笔记  （PDF）。

静态电压失调（SVO）
I 2 C通信的双向特性意味着I 2 C缓冲器必须采用特殊技术来避免“锁定”总线。如下图所示，如果主机将线拉低，则从机侧将拉低。但是，从机侧的逻辑低电平也将主机侧拉低。因此，当主机尝试释放总线时，从机侧仍在驱动低电平。

图3.  如果设计不正确，缓冲区可能会锁定总线解决此问题的一种方法是使用静态电压偏移（SVO）。本质上，低压齐纳二极管用于在缓冲器的一侧创建额外的阈值电压，这样缓冲器的SVO侧的逻辑低电平可以是“低于SVO”逻辑低电平或“高于“ SVO”逻辑低电平，取决于逻辑低电平是由主机侧还是从机侧驱动的因此，缓冲器内部的控制器可以确定逻辑低电平的起源，并使用此信息来防止锁定。
可以沿着总线使用多个缓冲区，作为管理电容的一种方法。即使使用完全相同的部件，也不能假设SVO电压电平相同，因此必须配置多个缓冲器以确保两个SVO电压没有连接在一起。还必须对照从设备的输入电压检查SVO，以确保其远低于30％阈值。许多设备使用的SVO为0.5 V，但该值的范围至少为0.1 V至0.6V。

I 2 C缓冲器的示例
德州仪器（TI）的PC9515A被描述为双路双向I 2 C缓冲器。它可以用来在5 V总线和3.3 V总线之间运行，因此它也可以用作逻辑电平转换器。这是数据表中的一个应用示例：

图4.  以两种不同的总线电压运行的PC9515A
Linear Tech / Analog Devices的LTC4311是另一种I 2 C缓冲器。实际上，该部分不是被描述为缓冲区，而是被描述为“加速器”。它与总线上的其他设备并联连接，其内部威廉希尔官方网站通过检测正信号转换，然后注入额外的电流来使转换更快地发生，从而补偿了大量的总线电容。下图显示了如何使用LTC4311。

图5. LTC4311的使用图。摘自LTC4311 数据表  （PDF）。

工业应用中的I 2 C缓冲器
在工业自动化世界中，电子系统通常控制着高度敏感的过程，这些过程不允许发生故障。关键任务应用程序无论在任何情况下都需要硬件和软件才能正常工作。这导致了对冗余系统和控制器的巨额投资。
I 2 C缓冲区的另一个应用是创建冗余总线。两个缓冲器都运行回同一主机，可用于提供故障保护，以防一根总线锁定或受到损害。带有冗余设备的冗余I 2 C总线可用于降低总线或设备故障的风险。下面是这种系统的外观示例。

图6.具有冗余设备的I 2 C总线系统的示例。
本质上，主机可以使用EN引脚来控制当前正在通信的总线，并在发生故障时切换到无效总线。可以定期检查辅助总线，以确保在主总线发生故障时仍可以接管辅助总线。这样的设置为设计增加了鲁棒性，当可靠性成为首要考虑因素时，这将是巨大的好处。
这种冗余总线配置可创建两组独立的从站设备。因此，当一个主机需要与以不同模式运行的从机通信时（例如，某些从机使用快速模式，而其他从机则处于标准模式），这也很有用。

结论
本文介绍了I 2 C缓冲区及其应用。它可用于减少总线电容，控制上升时间，向总线添加其他设备，以不同电压工作的接口设备，甚至用于实现冗余总线。了解缓冲区的工作方式以及何时使用它为设计工程师的工具箱提供了另一种工具。
出色的设计是经验，创造力和基础知识的完美结合。我希望f发烧友们现在对I 2 C的理解会更好一些，并且随之而来的设计挑战似乎也不会那么令人生畏。

王栋春 · 2020-9-6 21:50:59

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