LTC4310-1/LTC4310-2：热插拔I²C隔离器的设计与应用

在电子设计领域，隔离通信是一个重要的课题。LTC4310-1/LTC4310-2热插拔I²C隔离器为实现隔离的I²C通信提供了一种可靠的解决方案。下面我们就来详细了解一下这款器件。

文件下载：DC1079A-A.pdf

一、产品概述

LTC4310能够在两个接地相互隔离的I²C总线之间实现双向通信。它将I²C总线逻辑状态编码成信号，通过隔离屏障传输到另一个LTC4310，接收方再解码并驱动其I²C总线到相应逻辑状态。隔离屏障可以通过廉价的以太网变压器或电容器来实现，能跨越数千伏的电压差进行通信。LTC4310-1适用于100kHz的I²C系统，LTC4310-2则适用于400kHz的I²C系统。

二、产品特性

2.1 双向通信与隔离

• 双向I²C通信：支持两个隔离总线之间的双向I²C通信，确保数据的可靠传输。
• 隔离方式多样：可使用廉价的以太网变压器或电容器实现全隔离，满足不同的应用需求。

2.2 电气特性

• 电压转换：具备低电压电平转换功能，适应不同电压的I²C总线。
• 频率支持：LTC4310-1的I²C最大工作频率为100kHz，LTC4310-2为400kHz。
• ESD保护：提供±5kV人体模型ESD保护，增强器件的可靠性。
• 上升时间加速器：在SCL和SDA上升沿提供强上拉电流，满足重载系统的上升时间要求。
• 热插拔功能：SDA和SCL支持热插拔，防止数据损坏。
• 低关断电流：具有极低的关断电流，节省功耗。
• 总线故障处理：具备总线卡住断开和恢复功能，以及热关断功能，提高系统的稳定性。

2.3 封装形式

提供10引脚MSOP和3mm×3mm DFN封装，方便不同的电路板设计。

三、应用场景

3.1 隔离接口

适用于隔离的I²C、SMBus和PMBus接口，以及隔离电源的正到负轨通信。

3.2 以太网供电

在以太网供电系统中，可实现可靠的通信隔离。

四、电气参数

4.1 绝对最大额定值

参数	数值
输入电源电压（VCC）	–0.3V to 6V
输入和双向引脚电压（SCL, SDA, EN, RXP, RXN）	–0.3V to 6V
输出电压（READY）	–0.3V to 6V
输出电压（TXP, TXN）	–0.3V to VCC + 0.3V (6V Max)
最大灌电流（SDA, SCL, READY）	30mA

4.2 工作温度范围

• LTC4310C：0°C to 70°C
• LTC4310I：–40°C to 85°C

4.3 电气特性

包含电源、I²C接口、上升时间加速器、READY输出等多个方面的参数，如输入电源范围、输入电源电流、逻辑低输出电压等。

虽然在查询“LTC4310 - 1/LTC4310 - 2电气特性参数对实际应用的影响”时出现超时，但我们仍可根据现有资料分析这些电气特性参数对实际应用的影响。

4.3.1 电源相关参数

• 输入电源范围（(V_{CC})）：其范围为3V - 5.5V，这决定了该器件能够适应的电源电压环境。在实际应用中，如果电源电压不稳定或者超出这个范围，可能导致器件无法正常工作。例如，若电源电压低于3V，可能无法为器件提供足够的能量来完成信号的编码、传输和解码等操作；若高于5.5V，则可能会损坏器件。
• 输入电源电流（(I_{CC})）：不同型号（LTC4310 - 1和LTC4310 - 2）在特定条件下的输入电源电流不同。这对于功耗敏感的应用场景非常重要，比如在一些电池供电的设备中，需要根据这个参数来评估器件的功耗，合理规划电池的使用时间。
• 关断输入电源电流（(I_{CC(SD)})）：极低的关断电流（如0.1µA）使得器件在不工作时能够最大程度地节省功耗，适用于需要长时间待机的设备，减少能源的浪费。
• 输入电源欠压锁定上升阈值电压（(V{CCH(UVL)})）和滞回（(V{CC(UVL, HYST)})）：这些参数确保了器件在电源电压不稳定时的可靠性。当电源电压低于(V_{CCH(UVL)})时，器件可能进入欠压锁定状态，防止因电压过低而导致的异常工作；滞回则避免了电源电压在阈值附近波动时器件频繁地进入和退出欠压锁定状态。

4.3.2 I²C接口相关参数

• SDA、SCL逻辑低输出电压（(V_{SDA,SCL(OL)})）：该参数决定了在逻辑低状态下输出的电压值。在实际的I²C通信中，这个电压值需要满足接收端的识别要求。如果输出电压过高，可能会被接收端误判为逻辑高，从而导致通信错误。
• SDA、SCL受控上升沿速率关断阈值电压（(V{SDA,SCL(IL,R)})）和逻辑低下降输入阈值电压（(V{SDA,SCL(IL,F)})）：这些参数用于控制SDA和SCL信号的上升和下降沿速率。合理的上升和下降沿速率对于保证I²C通信的稳定性至关重要。如果上升沿速率过快，可能会产生电磁干扰；如果过慢，则可能导致通信速率下降。
• SDA、SCL输入电流（(I_{SDA,SCL(OH)})）：该参数反映了在特定条件下SDA和SCL引脚的输入电流情况。在设计外部电路时，需要考虑这个电流对整个电路的影响，避免因输入电流过大而影响其他器件的正常工作。
• I²C接口时序参数：如总线线路受控上升沿速率（(dV/dt{RISE})）、SDA和SCL高低电平传播延迟（(t{PHL(SDA,SCL)})）、最大SCL时钟频率（(f{SCL(MAX)})）等，这些参数直接影响I²C通信的速率和稳定性。例如，(dV/dt{RISE})决定了总线信号的上升速度，(f_{SCL(MAX)})则限制了I²C通信的最大时钟频率。在实际应用中，需要根据具体的通信要求选择合适的型号（LTC4310 - 1或LTC4310 - 2）来满足不同的时钟频率需求。
• SCL、SDA输入电容（(C_{IN})）：该参数会影响信号的传输和响应速度。较大的输入电容可能会导致信号的延迟和失真，在设计电路时需要考虑如何补偿这个电容的影响，以保证信号的质量。

4.3.3 上升时间加速器相关参数

• SDA、SCL上升时间加速器激活阈值电压（(V_{BOOST})）：当SDA或SCL信号上升到这个阈值电压时，上升时间加速器开始工作。合理设置这个阈值可以确保在需要时及时提供强上拉电流，加快信号的上升速度，满足重载系统的上升时间要求。
• SDA、SCL上升时间加速器电流（(I_{BOOST})）：该电流决定了上升时间加速器提供的上拉电流大小。在实际应用中，需要根据总线的负载情况和上升时间要求来选择合适的(I_{BOOST})值，以确保信号能够快速上升到所需的电平。

4.3.4 READY输出相关参数

• READY输出低电压（(V_{READY(OL)})）：该参数表示READY引脚在输出低电平时的电压值。在实际应用中，这个电压值需要满足与其他器件的接口要求，以确保能够正确地传递状态信息。
• READY关断电流（(I_{READY(OH)})）：极低的关断电流可以减少功耗，特别是在器件处于待机状态时，能够进一步降低能源消耗。

4.3.5 连接控制相关参数

• EN上升阈值电压（(V{EN,RISE})）和下降阈值电压（(V{EN,FALL})）：这些参数用于控制EN引脚的电平变化，从而实现对器件的使能和禁用操作。在实际应用中，需要根据系统的控制要求来设置合适的阈值电压，确保器件能够正确地响应控制信号。
• EN输入电流（(I_{EN(OH)})）：该参数反映了EN引脚的输入电流情况，在设计控制电路时需要考虑这个电流对整个电路的影响。
• 总线空闲时间（(t{IDLE})）和启动滤波时间（(t{UVLO,EN_FILT})）：这些参数对于确保器件在启动和空闲状态下的稳定性非常重要。(t{IDLE})用于判断总线是否处于空闲状态，(t{UVLO,EN_FILT})则用于过滤启动时的干扰信号，保证器件能够正常启动。
• SDA、SCL总线卡住低断开时间（(t_{STUCK})）：当总线卡住低的时间超过这个参数时，器件会采取相应的措施来处理，如断开总线连接、尝试释放总线等，以保证系统的可靠性。

4.3.6 传输和接收相关参数

• TXP、TXN单端输出低电压（(V{TX(OL)})）和高电压（(V{TX(OH)})）：这些参数决定了传输信号的电平范围，需要满足接收端的识别要求。在实际应用中，需要根据传输距离和干扰情况来选择合适的电平，以确保信号能够可靠地传输。
• TXP、TXN输出上升时间（(t{R(TX)})）和下降时间（(t{F(TX)})）：这些参数影响信号的传输速度和质量。较快的上升和下降时间可以提高通信速率，但也可能会产生电磁干扰，需要在实际应用中进行平衡。
• TXP、TXN最小传输脉冲宽度（(t_{PWMIN(TX)})）：该参数确保了传输信号的脉冲宽度满足接收端的要求，避免因脉冲过窄而导致接收端无法正确识别信号。
• RXP、RXN差分高电平阈值（(V{RX(TH)})）、最小接收脉冲宽度（(t{PWMIN(RX)})）和差分输入电阻（(R_{RX(IN)})）：这些参数用于接收端对信号的识别和处理。合理设置这些参数可以提高接收端的抗干扰能力，确保能够正确地接收和解码传输过来的信号。

五、引脚功能

5.1 EN（引脚1）

设备使能输入。将EN拉高到VCC可使设备进入正常工作模式，允许总线信息通过隔离屏障传输；将EN接地则禁用通信并使设备进入低电流关断模式。若未使用，应连接到VCC。

5.2 SDA（引脚2）

串行总线数据输入/输出。是两线总线的双向数据线，需要从SDA到大于或等于VCC的电源电压连接外部上拉电阻或电流源。

5.3 SCL（引脚3）

串行总线时钟输入/输出。是两线总线的双向时钟线，同样需要从SCL到大于或等于VCC的电源电压连接外部上拉电阻或电流源。

5.4 READY（引脚4）

设备接收指示输出。是一个开漏数字输出，当LTC4310根据接收到的RXP和RXN引脚的逻辑状态信息驱动其SDA和SCL引脚时，READY引脚拉低。可通过10k电阻连接到VCC，若未使用可开路或接地。

5.5 GND（引脚5）

设备接地。

5.6 TXN（引脚6）

负传输输出。应连接到变压器初级绕组的负端或通过陶瓷电容连接到另一个LTC4310的RXN引脚。

5.7 TXP（引脚7）

正传输输出。应连接到变压器初级绕组的正端或通过陶瓷电容连接到另一个LTC4310的RXP引脚。

5.8 VCC（引脚8）

设备电源输入。需要在VCC和GND之间直接连接至少0.01µF的旁路电容。

5.9 RXP（引脚9）

正接收输入。应连接到变压器次级绕组的正端或通过陶瓷电容连接到另一个LTC4310的TXP引脚。

5.10 RXN（引脚10）

负接收输入。应连接到变压器次级绕组的负端或通过陶瓷电容连接到另一个LTC4310的TXN引脚。

5.11 外露焊盘（引脚11，仅DFN封装）

可开路或连接到设备接地。

六、工作原理

6.1 信号传输与转换

LTC4310通过逻辑检测电路将外部驱动的SDA和SCL逻辑信号转换为脉冲序列，通过以太网变压器或耦合电容传输到另一个LTC4310。接收方再解码并驱动其SDA和SCL引脚。

6.2 总线控制

当SDA或SCL信号发生变化时，LTC4310会进行相应的处理。例如，当SDA被驱动为低电平时，LTC4310会将SDA调节到0.35V；当SDA上升时，会通过上升速率限制电路控制总线上升速率，并在适当时候激活上升时间加速器。

6.3 故障处理

包含电源复位（POR）电路、热关断电路、总线卡住断开和恢复电路等，确保在各种异常情况下系统的稳定性。

七、应用信息

7.1 SDA、SCL总线拉电阻值选择

需要根据寄生总线电容、总线拉电源电压和最大总线开关频率来选择合适的上拉电阻值，以确保总线上升速度满足要求。

7.2 上升时间加速器

在SDA和SCL信号上升沿，上升时间加速器会提供强上拉电流，帮助重载总线满足上升时间要求。但需要确保总线拉电源电压(V{BUS} ≥V{CC})。

7.3 总线上升沿波形

当外部下拉器件关闭时，LTC4310会控制总线上升速率，使两个总线同时上升，减少总线之间的有效偏斜。

7.4 启动、数据和时钟热插拔电路

包含POR电路，确保在启动时数据和时钟引脚处于高阻抗状态，接收电路在启动后有900µs的过滤时间，以充电到DC偏置电压。当本地和远程总线都安静时，READY引脚拉低，表示已连接两个总线的逻辑状态。

7.5 总线卡住断开和恢复

内部定时器监测SDA和SCL状态，若总线低电平持续37ms，LTC4310会停止驱动SDA和SCL引脚，并尝试释放总线。

7.6 传输和接收电路

传输是事件驱动的，若SDA和SCL状态1.15ms内未变化，会重新传输逻辑状态。接收时，LTC4310会解码接收到的脉冲，并驱动SDA和SCL引脚。同时，需要注意寄生电容对通信的影响。

7.7 热关断

当芯片温度超过150°C时，LTC4310进入热关断模式，温度下降到130°C以下时，重新进行POR序列。

7.8 READY数字输出

READY引脚提供数字输出标志，拉低表示LTC4310正在根据接收到的逻辑状态信息驱动SDA和SCL引脚。

7.9 设计示例

通过使用EPF8119S以太网变压器实现1500V隔离的I²C通信，根据不同的总线寄生电容选择合适的上拉电阻值。

八、兼容性

8.1 与其他LTC总线缓冲器的兼容性

LTC4310不能与LTC4300A - 1、LTC4303或LTC4307在同一I²C总线上使用。LTC4310 - 1与LTC4301和LTC4301L兼容，与LTC4302、LTC4304、LTC4305和LTC4306在禁用其上升时间加速器时兼容。LTC4310 - 2与上述缓冲器不兼容。

8.2 LTC4310 - 1与LTC4310 - 2的兼容性

在不同总线上可以使用LTC4310 - 1和LTC4310 - 2，但总线开关频率受LTC4310 - 1的上升速率调节电路限制，且上升沿会引入较大偏斜。不建议在同一物理I²C总线上同时使用。

九、变压器选择

选择变压器时，需要考虑其磁化电感（50µH - 350µH）、匝数比（1:1）和最大插入损耗（–1.5dB）。推荐使用10/100BaseTX以太网变压器用于隔离电压高达1500V的应用，对于4000V隔离应用，推荐使用Würth Electronics Midcom 749014012变压器。

十、其他特性

10.1 RF辐射发射

LTC4310评估板通过CISPR22 Class B辐射发射要求，可通过屏蔽外壳进一步降低辐射发射水平。

10.2 共模瞬态抗扰度

具有高共模瞬态抗扰度，能承受20kV/µs的边缘电压脉冲而不损坏I²C总线逻辑状态。

在实际设计中，电子工程师需要根据具体的应用需求和电路环境，合理选择和使用LTC4310 - 1/LTC4310 - 2热插拔I²C隔离器，充分发挥其特性和优势，确保系统的可靠性和稳定性。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。