SGM4551B：双路双向I²C总线和SMBus电压电平转换器的深度剖析

在电子设计领域，I²C总线和SMBus的应用极为广泛，而电压电平转换在其中起着关键作用。SGM4551B作为一款双路双向I²C总线和SMBus电压电平转换器，为工程师们提供了强大而灵活的解决方案。今天，我们就来深入了解一下这款产品。

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一、产品概述

SGM4551B是一款具有使能（EN）功能的2位、SMBus、双路、双向I²C电压转换器。其典型的工作电压范围为：(V{REF1}) 从1.2V到3.3V，(V{REF2}) 从1.8V到5V，信号能够在1.2V到5V之间双向传输。由于其低导通电阻，传播延迟非常小。当EN引脚处于高电平时，电压转换器处于透明状态，允许SCL1和SCL2、SDA1和SDA2分别连接，且传输方向为双向；而当EN引脚处于低电平时，由于此时的高阻抗特性，传输将暂停。

二、产品特性

（一）双向I²C转换

支持I²C和SMBus兼容，能够实现双向信号传输，为不同电压域之间的通信提供了便利。

（二）低传播延迟

传播延迟小于5.5ns，确保信号能够快速准确地传输，满足高速通信的需求。

（三）可接受的电压参考

提供多种电压参考组合，如1.2V (V{REF1}) 和1.8V、2.5V、3.3V或5V (V{REF2}) 等，适应不同的应用场景。

（四）低导通电阻

典型值为3.5Ω，减少了信号传输过程中的损耗，提高了信号质量。

（五）GPIO端口与I²C开漏逻辑

SCL1、SDA1、SCL2和SDA2为GPIO端口，支持I²C开漏逻辑，方便与其他设备连接。

（六）混合模式信号支持

I/O端口支持5V容限的混合模式信号，增强了产品的兼容性。

（七）高阻抗模式

当EN为低电平时，SGM4551B处于高阻抗模式，实现隔离功能。

（八）无锁定操作

在EN为低电平时，具有无锁定操作的特性，确保系统的稳定性。

（九）引脚布局优势

内部材料的引脚布局有利于PCB布局，方便工程师进行设计。

（十）多种封装形式

提供绿色SOT - 23 - 8和VSSOP - 8封装，满足不同的安装需求。

三、电气特性

（一）电压范围

输入/输出电压VI/O、参考电压(V{REF1}) 和(V{REF2}) 以及使能输入电压(V_{EN}) 的范围均为0 - 5V。

（二）电流参数

通过开关的电流(I{PASS}) 最大为64mA，输入钳位电流(I{IK}) 为 - 50mA，输入泄漏电流(I{IH}) 为8μA，使能泄漏电流(I{EN}) 为1μA。

（三）电容参数

输入电容(C{I(EN)}) 为15pF，关断电容(C{IO(OFF)}) 为8pF，导通电容(C_{IO(ON)}) 为7pF。

（四）导通电阻

导通电阻(R{ON}) 与使能电压(V{EN}) 和输入电压(V_{I}) 有关，不同条件下的导通电阻值有所不同。

四、开关特性

SGM4551B的开关特性包括向下转换和向上转换两种情况。在不同的使能电压和负载电容条件下，其传播延迟时间(t{PLH}) 和(t{PHL}) 有所不同。例如，在EN = 3.3V、(C{L}) = 50pF的条件下，向下转换时(t{PLH}) 为1.0ns，(t{PHL}) 为1.1ns；向上转换时(t{PLH}) 为1.6ns，(t_{PHL}) 为1.2ns。

五、应用信息

（一）I²C通用应用

由于总线引脚的电容限制为400pF，连接到SGM4551B的设备数量会受到一定限制。但SGM4551B能够隔离I²C总线的两侧，使得更多的I²C设备可以与之连接。它支持400kHz和100kHz两种总线频率，当需要两种频率时，400kHz的优先级更高。如果主设备的频率为400kHz，由于中继器的额外延迟，设备的工作频率必须低于400kHz。

（二）双向转换

在双向应用中，建议将参考引脚连接到(V{REF2}) ，SCL和SDA引脚都应通过电阻上拉。在(V{REF2}) 引脚添加旁路电容可以提高稳定性。主设备和从设备的输出可以是推挽或开漏结构（开漏结构需要上拉电阻）。如果使用推挽结构生成输出，SGM4551B可以单向操作或通过方向控制机制进行控制，以防止竞争风险；对于开漏输出结构，不需要任何传输方向控制机制。

（三）上拉电阻选型

上拉电阻的作用是在输出为高电平时将工作电流限制在15mA，此时通过电压约为350mV。上拉电阻的计算公式为：(R{PU}=frac{V{DPU}-0.35V}{0.015A}) 。不同的(V_{REF}) 和工作电流对应不同的上拉电阻值，建议选择+10%的电阻值，以确保通过电压在350mV以内。

（四）带宽

SGM4551B支持不同的频率应用，能够在频率大于50MHz的条件下工作。其带宽受导通电阻和导通电容的影响，-3dB点的转折频率为250MHz。对于数字应用，输入信号的前五次谐波不应被设备衰减，因此最大带宽应是输入数字信号的五倍。由于SGM4551B的转折频率约为250MHz，所以它能够支持频率为50MHz的数字信号。

六、提高性能的建议

（一）缩短距离

在PCB设计中，尽量缩短处理器与SGM4551B之间的距离，减少走线长度，以降低信号传输的延迟和干扰。

（二）减少反射

通过减少走线长度，使其小于信号传输时间的一半，可以改善振铃和反射现象。

（三）添加电阻

在1.8V侧添加一个上拉电阻，以减少过冲现象。同时，SGM4551B的应用期望具有较慢下降时间的下降沿。

七、总结

SGM4551B作为一款功能强大的双路双向I²C总线和SMBus电压电平转换器，具有多种特性和优势，适用于各种I²C和SMBus应用场景。在实际设计中，工程师们可以根据具体需求选择合适的电压参考、上拉电阻和工作频率，同时注意PCB布局和信号处理，以充分发挥SGM4551B的性能。大家在使用SGM4551B的过程中，有没有遇到过什么特别的问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。