P82B715：I2C总线扩展的得力助手

在电子设计领域，I2C总线是一种常用的通信协议，但它的总线电容限制往往会影响实际通信距离和系统设计。今天，我们就来详细了解一下德州仪器（TI）的P82B715，一款专门用于缓冲高电容I2C总线系统的器件，看看它是如何解决这些问题的。

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1. 器件概述

P82B715是一款支持通过I²C总线进行双向数据传输的器件，它能够缓冲I²C总线上的串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）信号，在保留I²C系统所有操作模式和特性的同时，实现I²C总线的扩展。其工作电源电压范围为3V至12V，允许主I²C总线（Sx/Sy侧）的总线电容为400pF，传输侧（Lx/Ly侧）的总线电容为3000pF，适用于HDMI DDC、长距离I²C通信和工业通信等多种应用场景。

2. 关键特性

2.1 高电容缓冲能力

I²C总线的电容限制通常为400pF，这极大地限制了实际通信距离。P82B715通过在长电缆两端各使用一个该器件，可将系统总电容负载扩展到约3000pF。具体做法是将一个P82B715器件的Lx引脚连接到另一个P82B715的Lx引脚（Ly引脚同理），从而实现对总线电容的隔离，使新总线或远程I²C节点的总负载对其他I²C总线（或节点）不可见。

2.2 单向模拟电流放大

P82B715采用单向模拟电流放大技术，增强了I²C芯片的电流吸收能力，将I²C总线的400pF电容规格限制提升到3nF的总线布线电容限制。这意味着我们可以使用更长的电缆或低成本的通用布线来连接两个独立的基于I²C的系统，而无需担心其他I²C总线缓冲器相关的特殊电压电平问题。

2.3 多设备连接

多个P82B715可以通过其Lx/Ly端口以星形或多点架构连接在一起，只要系统总电容保持在约3000pF以下（相对于任何Sx/Sy连接为400pF或更低）即可。在这种配置中，主设备和/或从设备连接到每个P82B715的Sx/Sy端口。

2.4 双向数据传输

该器件支持I²C总线的双向数据传输，并且无需外部方向控制，具有双双向单位电压增益缓冲功能。

2.5 低阻抗总线驱动

P82B715能够驱动阻抗低10倍的总线布线，提高了抗噪声能力。同时，它还可以使用低成本的双绞线电缆实现I²C信号的多点分布，支持通过50米的双绞线进行I²C总线操作。

2.6 静电放电（ESD）保护

P82B715具有出色的ESD保护能力，符合相关标准，人体模型（HBM）为±2500V，带电设备模型（CDM）为±1000V，机器模型（MM）为+400V，有效保护器件免受静电损坏。

3. 引脚配置与功能

P82B715采用8引脚封装，包括SOIC和PDIP两种类型。各引脚功能如下：	PIN NO.	NAME	I/O	DESCRIPTION
1	NC	-	No connection
2	Lx	I/O	Buffered serial data bus or LDA
3	Sx	I/O	Serial data bus or SDA. Connect to Vcc of I²C master through a pullup resistor.
4	GND	-	Ground
5	NC	-	No connection
6	Sy	I/O	Serial clock bus or SCL. Connect to Vcc of I²C master through a pullup resistor.
7	Ly	I/O	Buffered serial clock bus or LCL
8	Vcc	I	Supply voltage

4. 电气特性与参数

4.1 绝对最大额定值

在使用P82B715时，需要注意其绝对最大额定值，超过这些值可能会对器件造成永久性损坏。具体参数可参考数据手册。

4.2 ESD额定值

如前文所述，该器件具有良好的ESD保护能力，不同模型下的ESD额定值为我们在实际应用中提供了可靠的静电防护保障。

4.3 推荐工作条件

推荐的工作电源电压范围为4.5V至12V，工作环境温度范围为-40°C至85°C。虽然该器件在3V电压下也能工作，但性能会有所下降，例如动态吸收电流会减小，可能会增加下降时间。因此，对于对时序要求较高的设计，应考虑指定的最小值。

4.4 热信息

了解器件的热特性对于确保其在不同环境下的稳定工作至关重要。P82B715的热阻参数包括结到环境、结到外壳（顶部）、结到电路板等，不同封装类型的热阻有所差异。例如，SOIC封装的结到环境热阻为105.3°C/W，PDIP封装为48.9°C/W。

4.5 电气特性

在典型工作条件下（Vcc = 5V，TA = 25°C），P82B715的电气特性包括静态电源电流、输出吸收电流、输入电流等。例如，静态电源电流在不同条件下的取值不同，输出吸收电流在I²C总线和缓冲总线上也有相应的规格要求。

4.6 开关特性

开关特性主要涉及缓冲延迟时间，在无电容负载的情况下，测量了从输入到输出的延迟时间。由于输入和输出引脚通过30Ω电阻内部连接，Sx/Lx电压波形中不会观察到传统的输入 - 输出延迟，该测试主要测量放大器响应时间对Lx/Ly输出（以及Sx/Sy输入）的电压上升或下降所造成的总线传播延迟。

5. 应用与实现

5.1 应用信息

P82B715的逻辑信号电平在Sx/Lx处与电源电压无关，它与所有逻辑信号驱动器（包括TTL）完全兼容。在正常应用中，需要使用外部上拉电阻将连接的总线拉高到所需的高电平，通常为电源电压Vcc。但对于非常低的逻辑电压，建议使用至少3.3V的Vcc，并且在4.5V以上才能确保全温度范围内的性能。当电源电压低于4.5V时，规格会有所降低，绝对最小Vcc为3V。

5.2 典型应用

通过使用两个或更多的P82B715器件，可以构建一个子系统，该子系统保留了正常I²C设备的接口特性，可包含在任何I²C或相关系统中。该子系统具有低阻抗或缓冲总线，能够驱动大布线电容。

5.2.1 设计要求

以一个具体示例来说明，设计参数包括：电源电压Vcc为3.3V，Lx/Ly总线上的电容CLx为3000pF，Sx/Sy总线上的上拉电阻Rpu_Sx为4.7kΩ，Lx/Ly总线上的上拉电阻Rpu_Lx为330Ω。

5.2.2 详细设计步骤

• I²C系统：与标准I²C系统一样，缓冲总线上需要上拉电阻来提供逻辑高电平，因为保留了标准的开集电极配置。上拉电阻的大小和数量取决于系统。如果P82B715器件要永久连接到系统中，电路可以配置为在缓冲总线上只使用一个上拉电阻，而在I²C总线上不使用，但为了简化系统设计和提高性能，建议在总线的每个部分都安装单独的上拉电阻。当使用P82B715的子系统可能可选地连接到已经有上拉电阻的现有I²C系统时，需要考虑子系统上拉电阻与现有I²C总线上拉电阻并联的影响。
• 上拉电阻计算：在计算上拉电阻值时，缓冲器的增益会引入缩放因子，需要应用到系统组件上。在实际系统中，上拉电阻值的计算是为了满足I²C系统的上升时间限制。近似地，在100kHz系统中，如果总系统的时间常数（净电阻和净电容的乘积）设置为1μs或更小，则可以满足该限制。在使用P82B715的系统中，可以分别考虑每个总线节点（即I²C节点和缓冲总线节点），为每个节点选择单独的上拉电阻，以提供小于1μs的时间常数。如果每个节点都满足要求，则系统要求也能得到满足。每个总线部分的上拉电阻计算公式为：$R = 1μs / (C{device} + C{wiring})$，其中$C{device}$为所有连接设备电容的总和，$C{wiring}$为总线上的布线和杂散电容。
• 总线驱动电流计算：以多个P82B715设备连接到公共缓冲总线的情况为例，当一个I²C设备将SDA总线拉低时，需要吸收其本地上拉电阻中的电流，以及在P82B715的协助下，吸收其他上拉电阻中的电流。通过计算可以确定每个节点的有效上拉电阻和需要吸收的电流，同时要确保P82B715的Lx引脚静态吸收电流不超过30mA的额定值。

5.3 应用曲线

通过实际测量得到的应用曲线，如在Lx/Ly上有3000pF电容且上拉电阻$R_{PU}$为330Ω时的总线电压曲线，能够帮助我们更好地了解系统在实际应用中的性能表现。

6. 电源供应与布局建议

6.1 电源供应

P82B715的电源要求可参考推荐工作条件。虽然该器件在3V电压下也能工作，但性能会降低，因此在实际应用中应根据具体需求选择合适的电源电压。

6.2 布局指南

在进行电路板布局时，应遵循一般的布局最佳实践。建议在电路板的内层设置专用的接地平面，连接到地的引脚必须通过宽多边形铜箔和多个过孔与接地平面形成低阻抗路径。同时，通常使用旁路和去耦电容来控制VCC引脚的电压，较大的电容（通常为1μF）用于在电源出现短时故障时提供额外的功率，较小的电容（通常为0.1μF）用于滤除高频纹波。

7. 总结

P82B715作为一款优秀的I²C总线扩展器件，凭借其高电容缓冲能力、单向模拟电流放大、多设备连接等特性，为我们在长距离I²C通信和高电容总线系统设计中提供了可靠的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体的设计要求，合理选择器件的工作条件、上拉电阻等参数，并注意电路板的布局和电源供应，以确保系统的稳定性和性能。希望本文能为电子工程师们在使用P82B715进行设计时提供有益的参考。你在使用P82B715的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。