مبدل‌های سطح ولتاژ I2C 

مبدل‌های سطح ولتاژ I2C (مدار مجتمع -داخلی) یک چند – MASTER¹ به چند – SLAVE برای استاندارد باس سریال دو سیمه است که ارتباطات سریالی را در تعدادی نرخ بیت (بسته به حالت پشتیبانی) پیرامون چندین متر کابل امکان‌پذیر می‌کند. I2C یک استاندارد نسبتاً قدیمی اما هنوز هم بسیار محبوب است که در سال 1982 ظهور کرد. اگر قصد خرید دارید روی لیک قیمت مبدل ولتاژ کلیک کنید. در ادامه اطلاعات مطلب کاملی از این مبدل ها آورده شده است.

مبدل های سطح ولتاژ I2C

از آن به بعد، رابط‌های منطقی 5 ولت جای خود را به استانداردهای ولتاژ بسیار پایین داده‌اند و سیستم‌های باس I² C برای تغییر سطح برای ممکن ساختن ارتباط داخلی با قطعات ولتاژ رابط مختلف در همان باس، نیاز به انطباق دارند. همچنین نرخ داده‌های ارتباطی از نرخ ساعت 100 کیلو هرتز اصلی در حالت‌های فوق سریع تا 5 مگاهرتز افزایش یافته است، و تغییر سطح باید بتواند برای این نرخ داده‌های بالاتر منطبق شود.

سیگنالینگ I2C شامل یک سیگنال داده واحد است که دارای سطوح منطقی است که توسط یک سیگنال ساعت اعتبار یافته است. هر دو سیگنال دوطرفه هستند که بسته به وضعیت سیستم توسط یک یا چند MASTER یا SLAVE هدایت می‌شوند. برای جلوگیری از آسیب‌دیدگی ناشی از هدایت خروجی‌ها توسط یکدیگر، خروجی‌های کلکتور باز یا جمع‌کننده باز با مقاومت‌های بالابرنده، باس را هدایت می‌کنند.

شکل 1: خروجی های کلکتور باز از مغایرت جلوگیری می کنند

خروجی تخلیه باز (مبتنی بر FET) یا کلکتور باز (مبتنی بر BJT) خروجی است که دارای یک دروازه فعال که به سمت منبع مثبت کشیده شود، نیست. خاموش کردن دروازه خروجی، خروجی را در وضعیت امپدانس بالا قرار می‌دهد. سیم سیگنال شناور می‌شود زیرا شارژ ذخیره شده توسط خازن باس همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است از طریق مقاومت بالابرنده تخلیه شارژ می‌شود.

سرعت انتقال بین پایین تا بالا در باس سیگنال، محدود به زمانی است که برای بار الکتریکی ذخیره شده در خازن پارازیتی روی سیم ‘C’ برای تخلیه از طریق مقاومت بالابرنده “R” در نظر می‌گیرد، نقطه 3dB توسط رابطه f_3db=1/(2пRC) تعریف شده است.

به عنوان مثال، اگر ظرفیت باس خازن ترکیبی pF 100 باشد و مقاومت بالابرنده ترکیبی در سیگنال‌های موجود در باس 1.5kΩ باشد، نقطه dB3 تقریبا MHz1 است. این حداکثر نرخ داده ممکن باس را محدود می‌کند اما فواید بارز این که هیچگاه شرایطی را که خروجی امپدانس پایین یکدیگر را هدایت کنند نداشته باشد را دارد و باعث می‌شود جریان‌های بالای آسیب‌دیده از درون گیت عبور کنند. ماهیت دو طرفه سیگنال‌های I² C، تغییر سطوح ولتاژ باس و نیازمندی‌های خروجی تخلیه باز، به طور قابل توجهی سطح  مبدلی مداری را پیچیده می‌کند.

سازگاری سطوح منطقی مبدل های سطح ولتاژ I2C

سطوح منطقی مختلف ولتاژهای آستانه منطقی متفاوتی دارند که انتقال منطق بالا / پایین را تعیین می‌کند. استانداردهای ولتاژ مختلف نیز به دلیل وجود اتصالات دیودی در ورودی و خروجی قطعات نیمه رسانا باعث ایجاد مشکلاتی می‌شود. سطح سیگنال هدایت یافته بالاتر از ولتاژ منبع تغذیه، دیود را به شرایط مخرب بنام “اتصال کوتاه” هدایت می‌کند.

مبدل‌های سطح ولتاژ I2C به طور سنتی با استانداردهای منطقی 5 ولت موافقت کرده است، اما به طور بالقوه نیاز به کار با بسیاری از استانداردهای رابط ولتاژ پایین تر دارد. حتی وقتی نواحی و آستانه‌های استاندارد رابط در محدوده قابل قبول دیده شوند، حاشیه نویز کاهش یافته عملکرد باس را بدون مبدل سطح منطقی مناسب به خطر می‌اندازد.

شکل 2: سطوح ولتاژ گروه منطقی نوعی

یک سیستم باس باید با بدترین حالت ترکیبی از سطوح منطقی مربوط به قطعات مستقل نسبت به تغییر دستگاه و دامنه دمای پیش‌بینی شده سازگار باشد. توجه داشته باشید که هر قطعه موجود در باس معمولی باعث افزایش ظرفیت می‌شود و ممکن است حاشیه ها را  بیشتر کاهش دهد.

باس های تک-انتها، به ویژه آنهایی که سیم‌های طولانی دارند، در معرض امپدانس‌هایی در سطح زمین یا منبع تغذیه‌ای هستند که باعث تاثیرات  بالارفتن لبه و پرش زمین می‌شوند که باعث کاهش بیشتر حاشیه های سطح می‌شوند.

استفاده از بافر دو طرفه ممکن است به طور خاص مبدل ولتاژ مختلف را ارائه ندهد، اما می‌تواند به حفظ قدرت تحمل ولتاژ در جایی که سطوح سیگنال بین استانداردها سازگار باشد کمک کند. تکرار کننده‌های I2C همچنین راهی را برای جداسازی بار خازنی یک باس با تقسیم آن به دو، گسترش کابل‌های فرعی یا تعداد قطعات پشتیبانی شده در یک سیستم، فراهم می‌کند.

رابط‌های مبدل‌های سطح ولتاژ I2C به دلیل نرخ داده پایین، پشتیبانی از سیگنالینگ 5 ولت و ماهیت تخلیه باز، نسبت به اجرای کابل‌های طولانی بسیار تحمل‌پذیر هستند. این مشخصه‌ها منجر به استفاده آن در موقعیت‌هایی می‌شود که قطعات متصل به داخل و خارج باس سریال، پیچیدگی مدار مبدل سطح را اضافه می‌کنند و اتصالات در معرض، نیازمندی‌هایی را برای حفاظت تخلیه الکترواستاتیک ESD) ² ) اضافه می‌کند.

روش MOSFET گسسته مبدل های سطح ولتاژ I2C

تغییر سطح دو طرفه باید از دو جهت انجام شود. ساده‌ترین روش بکاربردن  MOSFET ها است که در  شکل 3نشان داده شده است و در یادداشت برنامه  AN10441 با جزئیات بیشتری نشان داده شده است. اگرچه یک جابجا کننده سطح MOSFET برای استانداردهای ارتباطی 100 کیلوهرتز تا 400 کیلوهرتز قابل قبول است، به دلیل محدودیت‌های فرکانسی ذکر شده در قبل که توسط ثابت‌های زمانی RC اعمال می‌شود، عملکرد لازم برای حالت‌های سریعتر عملیاتی را ندارد. در مواردی که پهنای باند بالاتر استفاده می‌شود، قطعات مبدل سطح هدف ویژه، مورد نیاز هستند.

شکل 3:مبدل سطح مبتنی بر MOSFET

رابط‌های I2C  لبه‌های مثبتی دارند که با این اثر محدود می‌شوند. مدار MOSFET ظرفیت‌های پارازیتی اضافه‌ای (به عنوان مثال اثر میلر) و سطوح سوئیچینگ را که خصوصیات هر دو لبه را در حین تغییرات جهت تحریف می‌کند، ارائه می‌دهد. اگر رابط منطقی حاشیه‌ای باشد این می‌تواند مشکلاتی را ایجاد کند زیرا یک ناحیه انتقال در اطراف ولتاژ آستانه که خروجی تعیین نشده، دارند.

سیگنال‌هایی که در این محدوده سکونت دارند باعث چیزی که “حالت‌های شبه پایدار” نامیده می‌شود، می‌شوند که این باعث لرزش سیگنال می‌شوند. ورودی‌های اشمیت تریگر رابط‌های ویژه‌ای با هیسترزیس ولتاژ هستند که به دلیل بازخورد مثبت از خروجی دروازه ورودی است. این باعث افزایش حاشیه نویز می‌شود و پتانسل برای شبه پایداری به دلیل تغییر آرام سیگنال‌ها را کاهش می‌دهد.

همچنین، سیگنال‌های نویز دار، آهسته یا غیر یکنواخت، می‌توانند در I2C  وجود داشته باشد باس‌های سریالی نیز با استفاده از الگوریتم دفع پرش اصلاح می‌شوند. یک الگوریتم دفع پرش یک زمان ساکن را معرفی می‌کند که در آن سیگنال ورودی در طی یک دوره زمانی برای یک سطح سیگنال مداوم قبل از تغییرکردن، ردکردن انتقالات قطعی که در این دوره می‌افتند، کنترل می‌شود. این یک تکنیک است که با استفاده از FPGA³ ها و پیاده‌سازی نرم‌افزار “محدود کردن بیت” در میکروکنترلرها به کار می‌رود.

روش های جداشده

سیستمی که در شکل 4 توصیف شد، یک سیستم غیر ایزوله نشده با اتصال الکتریکی مستقیم  بین این دو قطعه، صرف نظر از مبدل سطح ولتاژ است. از آنجا که رابط‌های I²C نامتوازن هستند و می‌توانند کابل‌های ارتباط دهنده طولانی داشته باشند، این اختلافات احتمالی می تواند منجر به جریان‌های نویز شدید در سیگنال‌های زمین شود.

در صورت ارتباط با مدارهای ولتاژ بالا، زمین‌های ایزوله نشده، می‌توانند به شرایط  اشتباه خطرناک منجر شوند. رابط های I2C در برنامه‌های کاربردی که از مرزهای ایزوله عبور می‌کنند، باید مطابق با استانداردهای ایمنی باشند و نیازمند ایزوله گالوانیک هستند.

شکل 4: مبدل سطح ایزوله نشده

روش متداول ایزوله الکتریکی باس‌های  I2C همچنین شامل مبدل سطح به عنوان مرز ایزوله است و هرگونه پشتیبانی ولتاژ را در هر طرف مرز ایزوله امکان پذیر می‌کند. تکنیک‌های قراردادی ایزوله کردن شامل جداسازی فتوولتائیک از طریق اتصال دهنده‌های -نوری یا قطعاتی است که اطلاعات سیگنال باس سریال را در یک پل خازنی یا ترانسفورماتور القایی تعدیل (مدوله) می‌کنند.

همه اینها تمایل به تسهیم ویژگی مشترک تقسیم / ترکب مجدد سیگنال‌های دو طرفه به دو مسیر یک طرفه هستند. برخی از برنامه‌ها با طول کابل پشتیبانی را افزایش می‌دهند و مصونیت نویز توسط تبدیل سیگنال‌ها به یک استاندارد تفاضلی (مانند RS485) را افزایش می‌دهند. آنها همچنین ممکن است از ولتاژهای سیگنالینگ بالاتر استفاده کنند.

شکل 5: I² C  ایزوله شده چند ارتباطی با سطوح ولتاژ مستقل

جداسازی نوری الکتریکی باس مبدل‌های سطح ولتاژ I2C t مانند مدار شرح داده شده درشکل 5، قادر به کارکردن با سرعتی بیش از 1Mbps است. یادداشت AN10364 برنامه NXP توصیف کاملی از توپولوژی‌های مختلف برای ارتباط بین قطعات مبدل‌های سطح ولتاژ I2C با پتانسیل‌های زمین محلی مختلف و ولتاژ ها است. توپولوژی‌های مشابه در برنامه‌هایی که نیاز به ارتباطات جانبی اولیه به ثانویه در مدارهای اصلی توان جدا شده AC، تجهیزات پزشکی و توان اترنت PoE)⁴ ) دارند، پیدا می‌شوند.

مبدلان سطح ولتاژ دو طرفه

مبدلان ولتاژ دو طرفه می‌توانند در یک باس I² C کار کنند. آن مهم است تا مطمئن شویم که قطعه جهت‌گیری صحیح باس است – تطبیق سطح ولتاژ باس با مبدل سطح صحیح برقرار است. بیشتر مبدلان یک طرف را بصورتی که از ولتاژ حداقل (معمولاً در حدود 1 ولت) طرف دیگر بزرگتر  باشد، انتخاب خواهند کرد. برای عملکرد صحیح I2C همانطور که در یادداشت برنامه AN11127 توضیح داده شده، هر دو طرف هنوز هم نیاز به بالابرنده خواهند داشت.

شکل 6:مبدل سطح دو طرفه در مدار I2C

چنین قطعاتی برای پشتیبانی اتصال مبدل‌های سطح ولتاژ I2C از محیط‌های SLAVE 5V و 3V تا بانک‌های I/O ولتاژ پایین FPGA ها یا میکروکنترلرها عالی هستند. قطعات مبدل سطح ولتاژ دوطرفه تخلیه باز دوگانه مانند NVT2001 به دلیل تعداد کم اجزاء، انعطاف پذیری بالا راه حل، حفاظت ESD یکپارچه و بسته‌بندی های فیزیکی ریز معماری‌های باس چند ولتاژ را ساده می‌کنند.

آنها همچنین به منظور ایجاد جداسازی بین عناصر آهسته تر و سریعتر در باس I2C، به آنها امکان  مشارکت در همان طراحی با هم را می‌دهد. کنترل پین فعال  به باس‌های کندتر متصل نشده در طول ارتباطات حالت سریع، همزیستی را فراهم می‌کند.

ویژگی این قطعات تاخیر در انتشار کمتر از ns1.5 (شامل بارگیری باس نیست) و عملکرد ساعت 33 مگاهرتز در سیستم تخلیه باز است. پشتیبانی فرکانس بالا راه حل هایی را برای حالت های فوق سریع عملیاتی ممکن می‌کند تا در تغییر سطح همکاری کند و احتمال استانداردهای رابط I2C پرسرعت حتی در آینده را نیز افزایش دهد.

1. یک طرح ارتباط است که در آن یک دستگاه یا فرایند بر روی یک یا چند دستگاه کنترل یک طرفه دارد. در بعضی از سیستم‌ها یک ارباب از میان یک گروه از دستگاه‌ها برگزیده می‌شود و بقیهٔ دستگاه‌ها در نقش برده کار می‌کنند.

2.  Electrostatic Discharge

3.  field-programmable gate array

4.  Power of Ethernet