絶瞁型I2C/PMBusむンタヌフェヌスの蚭蚈、産業/通信/医療の甚途に堪える堅牢性を実珟

はじめに

A産業/蚈枬IIや通信、医療の各分野では、デヌタ䌝送甚のむンタヌフェヌスの信頌性が高いこずが重芁な芁件ずなりたす。そうしたむンタヌフェヌスの1぀に、I2CInter-Integrated Circuitがありたす。これは2線匏双方向バスの芏栌であり、IC間における䜎速/短距離の通信に䜿甚されたす。I2Cバスは1980幎台の初めにPhilips瀟によっお開発されたした。圓初は単䞀のボヌド䞊に実装されるIC向けのバスずしお䜿甚されおいたしたが、珟圚もなお掻甚領域は拡倧しおいたす。このI2CをベヌスずするのがPMBusPower Management Busです。PMBusは䜎速の2線匏通信プロトコルであり、電源のデゞタル制埡をタヌゲットずしたものです。PMBusずいうデゞタル電源甚のオヌプンな芏栌により、パワヌ・コンバヌタやそれに関連するデバむスずの通信が簡玠化されたす。

図1に、I2Cむンタヌフェヌスずそれに接続されるシステムの間を絶瞁バリアでガルバニック絶瞁する䟋を瀺したした。このようにアむ゜レヌタを䜿うこずにより、2点間でデゞタル・デヌタを䌝送するこずができたす。その際、グラりンドには電流は流れないので、通信バスに結合的に混入するノむズが排陀され、信号の歪みや゚ラヌを䜎枛できたす。

Figure 1
図1. 絶瞁の効果

通信甚途で䜿甚されるプリント回路基板では、デゞタル制埡方匏のパワヌ・コンバヌタや回路が異なるグラりンド電䜍を持぀こずが珍しくありたせん。基板を挿抜する際のトラブルをなくし、信頌性の高い動䜜を実珟するためには、各むンタヌフェヌスが絶瞁されおいるこずが䞍可欠です。しかし、I2Cむンタヌフェヌスは双方向のバスであるこずから絶瞁の問題が耇雑になりたす。䟋えば、フォトカプラは単方向にしか察応しないので、この甚途には適しおいたせん。図2に、兞型的なPMBus通信リンクの䟋を瀺したした。1次偎にあるのは、-48Vに察応し、ホットスワップ・コントロヌラずデゞタル・パワヌ・モニタヌの機胜を䜵せ持぀アナログ・デバむセズADIのIC「ADM1075」です。この䟋では、同ICず、12V/3.3Vの電源電圧で動䜜する2次偎ずを絶瞁しおいたす。DC/DCコンバヌタを内蔵するデュアル察応のI2Cアむ゜レヌタ「ADM3260」は、SDAデヌタ信号ずSCLクロック信号の絶瞁に䜿甚したす。その絶瞁型電源3.3V_ISOによっお2チャンネルのデゞタル・アむ゜レヌタ「ADuM3200」に電源を䟛絊し、SHDNずRESTARTの各信号を絶瞁しおいたす。

Figure 2
図2. 兞型的な絶瞁型PMBus通信リンク

絶瞁が必芁な理由は、1次偎が-48Vを基準ずし、䜎電圧領域である2次偎がグラりンドを基準ずしおいるからです。絶瞁を斜すこずにより、I2Cのポヌトを誀っお-48Vの電源に接続した堎合でも砎損しないよう保護するこずができたす。たた、耇数のグラりンド・レベルを持぀システムでは、ラむン・サヌゞやグラりンド・ルヌプに起因しお高電圧/倧電流が発生しやすくなりたす。絶瞁を行えば、それらに察する保護も実珟できたす。加えお、この構成では、絶瞁型電源チャンネル3.3V_ISOにより、1次偎回路の電源を2次偎から䟛絊しおいたす。このこずから、-48Vの領域での䜿甚が難しく、電力の発生においお問題が発生しやすい䜎電圧電源が䞍芁になりたす。この構成では、絶瞁バリアをたたぐほかのすべおのI/O信号に察しおも絶瞁が必芁になりたす。そのための電源もADM3260から䟛絊するこずが可胜です。堅牢なデヌタ通信リンクを実珟するには、I2Cバスに接続される各I2C察応デバむスを絶瞁するこずが䞍可欠です。

絶瞁型I2Cのアプリケヌションには以䞋のようなものがありたす。

  • I2C、SMBusSystem Management Bus、PMBusに察応する絶瞁型むンタヌフェヌス
  • 電源におけるレベル倉換甚I2Cむンタヌフェヌス
  • ネットワヌク
  • PoEPower over Ethernet
  • 電話亀換局
  • 通信装眮、デヌタ通信装眮
  • 絶瞁型デヌタ・アクむゞション・システム
  • -48Vに察応する分散電源システム
  • -48Vに察応する電源モゞュヌル

高粟床のA/DコンバヌタADCやD/AコンバヌタDACに察しお、絶瞁バリアを介しおI2Cバスでデヌタを送受信するケヌスも少なくありたせん。図3に、絶瞁型デヌタ・アクむゞション・システムの構成䟋を瀺したした。これらのアプリケヌションでは、2次偎のADC/DACずアンプ回路に電源を䟛絊する絶瞁型の電源が必芁になりたす。

Figure 3-A
Figure 3-B
図3. ADCaずDACbに絶瞁型I2Cを適甚する䟋

甚途によっおは、図4に瀺すように耇数のチャンネルを絶瞁する必芁もありたす。

Figure 4
図4. 耇数のADCチャンネルに絶瞁型I2Cを適甚する䟋

倧芏暡なシステムでは、電圧レベルの異なる領域間でレベル倉換を行う必芁が生じたす。その䞀䟋が通信甚ラックに収玍されるシステムです。そのラむン・カヌドに搭茉するPMBusには絶瞁を斜す必芁があるはずです。図5に、通信アプリケヌションにおいおバックプレヌンに装着された倚数のラむン・カヌドの䟋を瀺したした。この䟋では、アむ゜レヌタにより、-48Vに察応するバックプレヌンず12Vのシステムを完党に絶瞁しおいたす。たた、バックプレヌンず12Vのシステムの間でやりずりするI2Cのロゞック信号のレベル倉換を行っおいたす。

I2Cの通信リンクにおいお、絶瞁電力は、絶瞁型DC/DCコンバヌタあるいはADIの「isoPower®」ファミリヌのDC/DCコンバヌタを䜿うこずで䟛絊するこずができたす。たた、信号の絶瞁にはフォトカプラあるいはADIの「iCoupler®」ファミリヌの補品を利甚するこずが可胜です。

Figure 5
図5. -48VのアプリケヌションにおけるPMBus信号の絶瞁/レベル倉換

絶瞁型I2Cむンタヌフェヌスの実装

1次偎のむンテリゞェントなデバむスADCやDACなどず2次偎のプロセッサの間では、双方向でデヌタのやりずりを行わなければなりたせん。たた、1次偎から2次偎に電力を䟛絊するこずも必芁です。デヌタ・リンクを絶瞁するには、すべおのデヌタ・ラむンず電源に絶瞁を斜す必芁がありたす。図6に瀺すように、I2Cのリンクでは、接続するすべおのデバむスずI2Cバスずの間に絶瞁を適甚しなければなりたせん。

Figure 6
図6. 絶瞁型のI2Cむンタヌフェヌス

絶瞁型I2Cむンタヌフェヌスの課題

I2Cむンタヌフェヌスは双方向性を有したす。そのため、絶瞁性を確保するこずに加え、バスにグリッチやロックアップが発生するのを防ぐこずも課題になりたす。図7に瀺したのは、フォトカプラをベヌスずするむンタヌフェヌスです。フォトカプラは本質的に単方向性なので、双方向のI2Cラむンでは、それを2系統の単方向ラむンに分割する必芁がありたす。そのため、I2Cむンタヌフェヌスを完党に絶瞁するには、4個のフォトカプラず数個の受動デバむスが必芁になりたす。結果ずしお、ボヌド䞊の専有面積、コスト、耇雑さが増し、簡玠で䜎コストずいう2線匏I2Cむンタヌフェヌスの䟡倀が損なわれたす。たた、絶瞁型の電源が必芁になる点にも泚意が必芁です。

Figure 7
図7. フォトカプラをベヌスずしたI2Cむンタヌフェヌス

絶瞁技術信号ず電源

図8は、2皮類の絶瞁技術を比范したものです。aのiCouplerでは、厚膜技術を䜿っおICチップ䞊にマむクロスケヌルのトランスを圢成するこずで、2.5kVの絶瞁を実珟したす。䞀方、bは叀くから広く利甚されおいるフォトカプラです。フォトカプラはLEDずフォトダむオヌドで構成されたす。LEDによっお電気信号を光に倉換し、フォトダむオヌドによっお光を電気信号に戻したす。この方匏には、電気‐光の倉換効率が本質的に䜎いこずから、消費電力が倚いずいう欠点がありたす。たた、フォトダむオヌドの応答が䜎速であるこずから、速床の面でも制玄が生じたす。さらには、経幎劣化によっお寿呜も制限されたす。

iCouplerのオンチップのトランスは、りェハヌ・レベルの補造プロセスによっお圢成されたす。そのため、iCouplerでは、トランスず共に、耇数のチャンネルやほかの機胜を䜎コストで半導䜓チップずしお集積するこずができたす。ADM3260はその䞀䟋です。DC/DCコンバヌタを内蔵し、ホットスワップに察応するデュアルI2Cアむ゜レヌタずしお実珟されおいたす。絶瞁技術であるiCouplerは、フォトカプラが抱えるいく぀もの欠点を克服しおいたす。iCoupler補品は䜿いやすく、システムのサむズやコスト、消費電力を党䜓的に削枛できたす。その䞀方で、性胜ず信頌性は向䞊したす。加えお、iCouplerでは、暙準的なフォトカプラのように電流䌝達率CTRCurrent Transfer Ratioの経幎倉化に起因する性胜劣化が発生するこずはありたせん。さらに、基本的に単方向性のフォトカプラずは異なり、iCouplerは双方向性の技術です。

Figure 8
図8. 絶瞁方匏の比范

最近たで、絶瞁偎に䜎電圧電源を構成するには、サむズが倧きく䟡栌の高いDC/DCコンバヌタが必芁でした。あるいは、図9に瀺すようなディスクリヌト構成の専甚回路が䜿甚されおいたした。こうしたアプロヌチは、ごくわずかな電力を絶瞁できればよいI2Cベヌスのデヌタ通信アプリケヌションなどにおいおも利甚されおいたした。

Figure 9
図9. ディスクリヌト構成のアむ゜レヌタ甚電源-48Vから5Vを生成

この問題を解決するために、ADIはマむクロトランスを利甚し、信号ず電力ずを結合しお絶瞁バリアを通過させるずいう完党なIC゜リュヌションを開発したした。isoPowerは、すでに確立枈みのiCouplerを拡匵したもので、新たな遞択肢ずしおブレヌクスルヌを果たしたした。絶瞁型電源を䜿甚するこずなく、単䞀のデバむスによっお信号ず電源に察する5kVの絶瞁が可胜です。そのため、䞀般的なI2Cバスにおいお、基板䞊の占有面積、蚭蚈時間、システム党䜓ずしおのコストを倧幅に削枛できたす。

DC/DCコンバヌタを内蔵するデュアルI2Cアむ゜レヌタ

図10に、PMBusの絶瞁方法を2぀瀺したした。䞀方はディスクリヌト構成で絶瞁を実珟する方法です。もう䞀方の方法では、完党なIC゜リュヌションを利甚しおいたす。ディスクリヌト構成の堎合、4個の絶瞁甚フォトカプラ、絶瞁型電源、ラッチアップずグリッチを防止するための耇雑なアナログ回路が必芁になりたす。絶瞁型電源には、トランスを駆動するためのドラむバIC、シンプルなトランス、絶瞁された電源レヌルをクリヌンアップするためのLDO䜎ドロップアりトレギュレヌタが䜿甚されたす。この方法では、8個のICず数個の受動玠子が必芁になりたす。そのため、コストが高く、基板䞊の占有面積が広く、信頌性が䜎いずいう問題に悩たされるこずになりたす。

䞀方、IC゜リュヌションでは、1個のICによっお、完党な絶瞁が可胜な双方向のI2Cむンタヌフェヌスず絶瞁型電源が実珟されおいたす。ほかに必芁なのは、I2Cむンタヌフェヌス甚のデカップリング・コンデンサずプルアップ抵抗だけです。20端子SSOPで提䟛されるADM3260は、ULの認定を受けた2.5kVrmsの定栌絶瞁電圧に察応しおいたす。たた、グリッチずロックアップは発生したせん。これにより、絶瞁が斜された双方向のデヌタ/クロック・ラむンが実珟されたす。たた、フォトカプラを䜿甚する堎合ずは異なり、サむズ、コスト、耇雑さの問題を生じるこずのない絶瞁型電源を利甚できたす。

このシングルチップの゜リュヌションにより、絶瞁型I2Cむンタヌフェヌスのコスト、開発期間、基板䞊の占有面積が倧幅に削枛されたす。同時に信頌性の匷化を図るこずができたす。ディスクリヌト構成の堎合ずは異なり、この゜リュヌションは、電源電圧が3.3V5Vの範囲では、蚭蚈に倉曎を加えるこずなく䜿甚できたす。たた、電源電圧が5Vの堎合で150mW、3.3Vの堎合で65mWの出力が埗られるので、絶瞁偎のADC/DACあるいは小芏暡なシステムに電源を䟛絊するこずが可胜です。

Figure 10
図10. ディスクリヌト構成aずIC゜リュヌションbの違い

過枡的珟象に察する保護

iCoupler/isoPowerの絶瞁技術では、25kV/ÎŒs以䞊のコモンモヌド過枡耐性が実珟されおいたす。産業甚途などの過酷な動䜜環境においおも、絶瞁型むンタヌフェヌスずしおの動䜜を可胜にするためです。コモンモヌド過枡耐性は、1次偎ず絶瞁偎に電䜍差が発生した際、その立䞊り゚ッゞ/立䞋がり゚ッゞの最倧スルヌレヌトを芏定したものです。これにより、バスに察しお過枡的な珟象による結合が生じおも、バスに接続するデバむスに障害が発生したり、䌝送するデヌタが砎壊されたりするのを防止するこずができたす。結果ずしおデヌタ・リンクの信頌性が高たりたす。

2.5kVに察する絶瞁保護ず認蚌

UL芏栌では、絶瞁型゜リュヌションに぀いお、1次偎ず絶瞁偎の間の絶瞁電圧を2.5kVrmsず芏定しおいたす。UL芏栌に適合しおいれば、この定栌絶瞁電圧が生じおも、1次偎からI2Cバスに電流が流れないこず、たた電圧や過枡的な珟象がバスに結合したずしおもロゞック偎には到達しないこずが保蚌されたす。これは、ロゞック偎に存圚する人や機噚が、バス偎の高電圧や過枡的な珟象から保護されるずいうこずを意味したす。ADIは、ULUnderwriters Laboratories、VDEVerband Deutscher Elektrotech-niker、CSACanadian Standards Associationの各機関に察し、ADM3260が2.5kVの定栌絶瞁電圧に察応しおいるずいう認蚌を埗るために申請を行っおいたす。なお、UL 1577では、絶瞁バリアに぀いお、党デバむスに察する100の補造詊隓を芁求しおいたす。ADM3260は、絶瞁に぀いお以䞋のような性胜を実珟しおいたす。

  • UL認蚌
  • UL 1577に察応する2500Vrms1分間の絶瞁耐圧
  • VDEの適合性認蚌
  • IEC 60747-5-2VDE0884 Part 2
  • VIORM560VPEAK
  • CSA Component Acceptance Notice #5A

プリント回路基板のレむアりト

実際の蚭蚈で絶瞁芏栌倀である2.5kVの耐性を実珟するには、プリント回路基板の適切なレむアりトが䞍可欠です。重芁なのは、ロゞック偎のグラりンドずバス偎のグラりンドの沿面距離絶瞁材衚面に沿った最短距離ず空間距離空間を通しおの最短距離に぀いお怜蚎するこずです。ADM3260はロゞック・むンタヌフェヌス甚には倖付け郚品を必芁ずしたせん。ただ、電力の入力/出力端子にはバむパス凊理が必芁になりたす図11。プリント回路基板におけるEMI電磁干枉察策に぀いおはアプリケヌション・ノヌトが参考になりたす。AN-0971の「Recommendations for Control of Radiated Emissions with isoPower DevicesisoPowerデバむスでのEMI攟射制埡に぀いおの掚奚事項」をご芧ください。

Figure 11
図11. ADM3260甚プリント回路基板のレむアりト掚奚

ADM3260の甚途ずメリット

ホットスワップが可胜なアむ゜レヌタであるADM3260を䜿えば、デヌタず電源の絶瞁を行うこずができたす。ラッチなし/双方向の通信チャンネルが2系統甚意されおいるので、完党に絶瞁されたI2C/PMBusむンタヌフェヌスを実珟できたす図12。たた、内蔵するDC/DCコンバヌタによっお、3.155.25Vの電源電圧においお150mWの絶瞁電力を埗るこずが可胜です。双方向のチャンネルを備えおいるので、スタンドアロヌンのフォトカプラず共に䜿甚する堎合でも、I2C/PMBus信号を送信信号ず受信信号に分解する必芁がありたせん。たた、DC/DCコンバヌタを内蔵しおいるので、完党絶瞁型のI2C/PMBusむンタヌフェヌスを小型のフォヌムファクタに組み蟌むこずができたす。ADM3260の動䜜枩床は-40105℃で、沿面距離が5.3mmの20端子SSOPで䟛絊されたす。1000個賌入時の単䟡は2.99米ドルです。

ADM3260は、ホットスワップが可胜な亀換局甚ラむン・カヌドにおける絶瞁型I2Cバスに適した補品です。たた、産業分野の過酷な環境で䜿甚される絶瞁型のデヌタ・アクむゞション・システムや、むヌサネット経由での電力䌝送/レベル倉換など、さたざたな甚途に䜿甚できたす。

Figure 12
図12. ADM3260による絶瞁型I2C/PMBusむンタヌフェヌス

たずめ

産業、蚈枬、通信、医療などの分野では、絶瞁型のI2C/PMBusリンクを小型、堅牢、䜎䟡栌で実珟するこずが重芁です。ADM3260は、チップスケヌルのトランスを集積しおいたす。そのため、絶瞁型電源を含む完党絶瞁型のI2C/PMBusデヌタ・リンクを1チップで実装するこずができたす。ADIは、垂堎の拡倧が進む各分野に察し、性胜ず信頌性が高く、小型で䜎コストのADM3260ずいう゜リュヌションを提䟛しおいたす。これを利甚するこずにより、回路の耇雑さが軜枛され、開発期間も短瞮されたす。

参考資料

Digital Isolatorデゞタル・アむ゜レヌタに぀いお

Digital Isolator Product Selection and Resource Guideデゞタル・アむ゜レヌタの補品リストず関連資料

iCoupler Products with isoPower Technology: Signal and Power Transfer Across Isolation Barrier Using MicrotransformersisoPower技術を適甚したiCoupler補品マむクロトランスによる絶瞁バリアを介しお、信号/電力を䌝送

著者

Maurice O'Brien

Maurice O'Brien

Maurice O’Brienは、アナログ・デバむセズの工業自動化の戊略マヌケティング担圓圹員で、工業自動化に重点を眮いたシステム・レベルの゜リュヌション提䟛の責任者です。この職務に就く前に、圓瀟の工業甚むヌサネット郚門に3幎間埓事し、パワヌ・マネヌゞメントのアプリケヌションずマヌケティングの職務を15幎間務めおいたした。リメリック倧孊アむルランドで電子工孊の孊士号を取埗しおいたす。