I 2 C 전압 레벨 변환기
I2C(Inter-Integrated Circuit)는 다중 마스터-다중 슬레이브 2선 직렬 버스 표준으로 직렬…
I 2 C(Inter-Integrated Circuit)는 여러 미터의 케이블을 통해 다양한 비트 전송률(지원 모드에 따라 다름)로 직렬 통신을 가능하게 하는 다중 마스터-다중 슬레이브 2선 직렬 버스 표준입니다. I 2 C는 비교적 오래되었지만 1982년에 등장한 여전히 매우 인기 있는 표준입니다.
그 이후로 5V 로직 인터페이스는 훨씬 더 낮은 전압 표준으로 대체되었으며 I 2 C 버스 시스템은 동일한 버스에 있는 다양한 인터페이스 전압 장치와의 상호 통신을 가능하게 하기 위해 레벨 이동을 수용해야 합니다. 통신 데이터 속도도 원래 100kHz 클록 속도에서 초고속 모드에서 최대 5MHz로 증가했으며 레벨 이동은 이러한 더 높은 데이터 속도를 수용할 수 있어야 합니다.
I 2 C 시그널링은 클록 신호에 의해 검증된 논리 레벨을 전달하는 단일 데이터 신호로 구성됩니다. 두 신호 모두 시스템 상태에 따라 하나 이상의 마스터 또는 슬레이브에 의해 구동되는 양방향입니다. 서로를 구동하는 출력으로 인해 발생하는 경합 손상을 방지하기 위해 풀업 저항이 있는 오픈 드레인 또는 오픈 컬렉터 출력이 버스를 구동합니다.
그림 1: 오픈 컬렉터 출력으로 경합 방지
오픈 드레인(FET 기반) 또는 오픈 콜렉터(BJT 기반) 출력은 양극 전원으로 끌어오는 활성 게이트가 없는 출력입니다. 출력 게이트를 끄면 출력이 고임피던스 상태가 됩니다. 그림 1과 같이 버스 커패시턴스에 의해 저장된 전하가 풀업 저항을 통해 방전됨에 따라 신호선은 높게 떠오릅니다.
따라서 신호 버스에서 로우에서 하이로 전환하는 속도는 와이어 'C'의 기생 커패시턴스에 저장된 전하가 풀업 저항 'R'을 통해 방전되는 데 걸리는 시간, 즉 3dB에 의해 제한됩니다. 방정식으로 정의되는 점: f 3dB = 1/(2π.RC)
예를 들어, 결합된 용량성 버스 로딩이 100pF이고 버스 신호의 결합된 풀업 저항이 1.5kΩ인 경우 3dB 포인트는 약 1MHz입니다. 이는 버스에서 가능한 최대 데이터 속도를 제한하지만 낮은 임피던스 출력이 서로 구동하여 손상을 주는 높은 전류가 게이트를 통해 흐르는 상황이 발생하지 않는다는 분명한 이점이 있습니다. I 2 C 신호 의 양방향 특성 , 버스 전압 레벨의 변화 및 오픈 드레인 출력 요구 사항으로 인해 레벨 변환 회로가 상당히 복잡해집니다.
로직 레벨 호환성
서로 다른 로직 레벨은 하이/로우 로직 전환을 결정하는 서로 다른 로직 임계값 전압을 갖습니다. 반도체 장치의 입력 및 출력에 다이오드 접합이 존재하기 때문에 서로 다른 전압 표준으로 인해 문제가 발생할 수도 있습니다. 공급 전압보다 높게 구동되는 신호 레벨은 "래치업"이라는 파괴적인 조건에서 다이오드를 전도하게 만듭니다.
I 2 C는 전통적으로 5V 논리 표준을 준수했지만 잠재적으로 다른 많은 저전압 인터페이스 표준과도 작동해야 합니다. 인터페이스 표준 임계값과 영역이 허용 가능한 범위 내에 있는 것처럼 보이더라도 적절한 로직 레벨 변환 없이 감소된 노이즈 마진으로 인해 버스 성능이 저하됩니다.
그림 2: 일반적인 로직 제품군 전압 레벨
버스 시스템은 장치 변형 및 예상 온도 범위에 걸쳐 개별 장치와 관련된 최악의 논리 레벨 조합과 호환되어야 합니다. 공통 버스의 각 장치는 커패시턴스를 증가시키고 마진을 더욱 줄일 수 있다는 점에 유의하십시오. 단일 종단형 버스, 특히 긴 와이어가 있는 버스는 에지 링잉 및 그라운드 바운스를 유발하는 접지 또는 공급 장치의 임피던스에 영향을 받아 레벨 마진이 더욱 감소됩니다.
양방향 버퍼를 사용하면 특별히 다른 전압 변환을 제공할 수는 없지만 신호 레벨이 표준 간에 호환되는 경우 전압 허용 오차를 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다. I 2 C 리피터는 또한 버스를 두 개로 분할하거나 시스템에서 지원 가능한 장치 수 또는 케이블 연장을 통해 버스의 용량성 부하를 분리하는 방법을 제공합니다.
I 2 C 인터페이스는 낮은 데이터 전송률, 5V 신호 지원 및 오픈 드레인 특성으로 인해 긴 케이블 연결에 매우 적합합니다. 이러한 특성으로 인해 직렬 버스에 연결 및 연결 해제된 장치가 레벨 변환 회로의 복잡성을 추가하고 노출된 연결로 인해 정전기 방전(ESD) 보호에 대한 요구 사항이 추가되는 상황에서 사용할 수 있습니다.
I2C 이산 MOSFET 레벨 변환 방법
양방향 레벨 이동은 양방향으로 수행되어야 합니다. 가장 간단한 방법은 그림 3에 표시된 것처럼 MOSFET을 사용하며 애플리케이션 노트 AN10441 에 자세히 설명되어 있습니다 . MOSFET 레벨 시프터는 100kHz ~ 400kHz 통신 표준에 적합하지만 앞서 언급한 RC 시간 상수에 따른 주파수 제한으로 인해 더 빠른 작동 모드에 필요한 성능을 갖추지 못했습니다. 더 높은 대역폭 모드가 사용되는 경우 특수 목적 수준 변환기 장치가 필요합니다.
그림 3: MOSFET 기반 레벨 변환
I 2 C 인터페이스는 이 효과에 의해 제한되는 양의 진행 에지를 갖습니다. MOSFET 회로는 방향 변경 중에 양쪽 가장자리의 특성을 더욱 왜곡하는 추가 기생 용량(예: 밀러 효과)과 스위칭 레벨을 도입합니다. 출력이 불확실한 임계 전압 주위에 전이 영역이 있으므로 로직 인터페이스가 미미한 경우 문제가 발생할 수 있습니다.
이 범위 내에 있는 신호는 신호 결함을 일으키는 '준안정 상태'를 유발합니다. 슈미트 트리거 입력은 입력 게이트 출력의 포지티브 피드백으로 인해 발생하는 전압 히스테리시스가 있는 특수 인터페이스입니다. 이는 잡음 마진을 증가시키고 천천히 변화하는 신호로 인한 준안정 가능성을 줄입니다.
또한 I 2 C 직렬 버스 에 존재할 수 있는 잡음이 있거나 느리거나 단조롭지 않은 신호 도 디바운스 알고리즘을 사용하여 수정됩니다. 디바운스 알고리즘은 입력 신호가 변경되기 전에 연속적인 신호 레벨에 대해 일정 기간 동안 모니터링되어 이 기간 내에 속하는 글리치 전환을 거부하는 체류 시간을 도입합니다. 이는 FPGA 및 마이크로컨트롤러의 '비트뱅킹' 소프트웨어 구현과 함께 사용되는 기술입니다.
격리된 방법
그림 4에 설명된 시스템은 전압 레벨 변환에 관계없이 두 장치 사이에 직접 전기 연결이 있는 비절연 시스템입니다. I 2 C 인터페이스는 불균형하고 긴 케이블 상호 연결을 가질 수 있으므로 이러한 전위차로 인해 접지 신호에 스퓨리어스 노이즈 전류가 발생할 수 있습니다.
비절연 접지는 고전압 회로를 다룰 때 위험한 오류 상태를 초래할 수 있습니다. 절연 경계를 넘는 애플리케이션에 사용되는 I 2 C 인터페이스는 안전 표준을 충족해야 하며 갈바닉 절연이 필요합니다.
그림 4: 비격리 레벨 변환
I 2 C 버스를 전기적으로 절연하는 일반적인 방법은 레벨 변환을 절연 경계로 통합하고 절연 경계의 양쪽에서 모든 전압 지원을 가능하게 합니다. 기존의 절연 기술에는 용량성 브리지나 유도 변압기에서 직렬 버스 신호 정보를 변조하는 광 커플러 또는 장치를 통한 광전지 절연이 포함됩니다.
이들 모두는 양방향 신호를 두 개의 단방향 경로로 분할/재결합하는 공통 특성을 공유하는 경향이 있습니다. 일부 애플리케이션은 신호를 차동 표준(예: RS485)으로 변환하여 지원되는 케이블 길이를 연장하고 잡음 내성을 높입니다. 또한 더 높은 신호 전압을 활용할 수도 있습니다.
그림 5: 독립적인 전압 레벨을 갖춘 멀티드롭 절연 I 2 C
그림 5에 설명된 회로와 같은 I 2 C 버스 의 광전기적 절연은 1Mbps를 초과하는 속도에서 작동할 수 있습니다. NXP의 애플리케이션 노트 AN10364 는 서로 다른 로컬 접지 전위 및 전압을 갖는 I 2 C 장치 간의 인터페이스를 위한 다양한 토폴로지에 대한 포괄적인 설명입니다 . 격리된 AC 주 전원 회로, 의료 장비 및 PoE(Power of Ethernet)에서 1차측과 2차측 통신이 필요한 애플리케이션에서도 유사한 토폴로지가 발견됩니다.
I2C 양방향 전압 레벨 변환기
양방향 전압 변환기는 I 2 C 버스에서 작동할 수 있습니다. 장치의 버스 방향이 올바른지 확인하는 것이 중요합니다. 즉, 버스 전압 레벨을 올바른 변환기 측과 일치시키는 것입니다. 대부분의 변환기는 한쪽이 다른 쪽보다 최소 전압(일반적으로 약 1V)보다 높도록 지정합니다. 올바른 I 2 C 작동 을 위해서는 양쪽 모두 여전히 풀업이 필요합니다 .
그림 6: I 2 C 회로 의 양방향 레벨 변환기
이러한 장치는 5V 및 3V3 슬레이브 주변 장치에서 FPGA 또는 마이크로컨트롤러의 저전압 I/O 뱅크까지 I 2 C 연결을 지원하는 데 탁월합니다 . NVT2001과 같은 듀얼 오픈 드레인 양방향 전압 레벨 변환기 장치는 적은 부품 수, 높은 솔루션 유연성, 통합된 ESD 보호 및 작은 물리적 패키지로 인해 다중 전압 버스 아키텍처를 단순화합니다.
또한 I 2 C 버스에서 더 느린 요소와 더 빠른 요소 사이를 분리하여 동일한 설계에서 상호 운용이 가능하도록 하는 역할을 합니다. 고속 모드 통신 중에 느린 버스의 연결을 끊기 위해 활성화 핀을 제어하면 공존이 가능해집니다.
이 장치는 오픈 드레인 시스템에서 1.5ns 미만의 전파 지연(버스 로딩 제외)과 33MHz 클록 성능이 특징입니다. 고주파수 지원을 통해 초고속 작동 모드용 솔루션을 통해 레벨 이동을 통합하고 향후 더욱 빠른 속도의 I 2 C 인터페이스 표준의 가능성을 높일 수 있습니다.