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I2C静电放电防护方案

08/21 16:17
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I2C静电放电防护方案

方案简介

I2C总线,作为一种简单又高效的双线同步串行通信方式,仅依赖两根线即可在总线上各器件间实现信息交换。其特点是运行功耗低和抗噪声能力强,主要用于短距离通信,速度范围为100 kbps至5 Mbps。该总线在嵌入式系统设计领域使用广泛,主要应用于低速外设与处理器微控制器之间的互连,如温度传感器LCD显示驱动器数模转换器等。

由于I2C总线需外接线路以传输数据,易受ESD静电放电等不利因素侵扰,对终端产品的稳定性和可靠性构成潜在风险。为了确保这些数据端口能够在最终安装环境中正常工作,普通的防护方案或许会对数据的传输造成一定影响,本文采用分立和集成两种低容ESD静电保护器件方案,在不影响数据传输的前提下满足IEC61000-4-2 Level 4静电放电防护需求,让后端的电路得到有效防护。

I2C工作原理

1.总线结构

SDA:双向串行数据线,用于数据传输。

SCL:双向串行时钟线,通常由主设备控制,用于同步数据传输。

  1. 通信过程
  • 起始条件:当SCL为高电平时,SDA从高电平跳变到低电平,表示一个通信过程的开始。
  • 发送地址:主设备随后在SDA上发送从设备的地址(包括读写位),并等待从设备的应答。
  • 应答信号:被寻址的从设备在SCL的下一个时钟周期内将SDA拉低以表示应答。
  • 数据传输:一旦建立连接,主设备和从设备就可以开始传输数据。数据位在每个SCL的上升沿被采样。
  • 停止条件:当数据传输完成时,主设备通过将SDA拉高(在SCL为高电平时),然后释放SCL(允许其上升为高电平),来生成一个停止条件,表示通信的结束。

应用示例

由于I2C是通过SDA和SCL两条线的电平变化和数据采样来进行数据传输的,所以需要在这两条线上加ESD防护器件保护I2C总线免受静电放电(ESD)和低等级浪涌事件的冲击与干扰。以下是我们提供的两种方案,客户可根据实际情况选择器件。

方案一:

该方案采用的是一款分立的ESD保护器件SELC2F5V1BT,可防止各引脚受静电放电的干扰,该器件封装尺寸小,漏电流低,响应速度快,且符合IEC 61000-4-2 (ESD) Level 4 规范,在 ±25kV(空气)和 ±22kV(接触)下提供瞬变保护。

方案二:

该方案采用的是一款三引脚ESD防护器件SELC23T5V2U,可保护两条单向电路,钳位电压低、漏电流低,保护I2C总线免遭ESD静电放电破坏的同时,确保传输数据的稳定性和完整性。符合IEC 61000-4-2 (ESD) Level 4 规范,在 ±15kV(空气)和 ±10kV(接触)下提供瞬变保护。

型号参数

规格型号 方向 工作电压(V) IPP(A) 钳位电压(V) 电容(pF) 封装
SELC2F5V1BT Bi 5 4.5 22 0.3 DFN1006-2L
SELC23T5V2U Ui 5 4 11 0.6 SOT-23

电气特性表

At TA = 25℃ unless otherwise noted

Parameter Symbol Conditions Min. Typ. Max. Units
Reverse Stand-off Voltage VRWM 5 V
Reverse Breakdown Voltage VBR IT=1mA 6.5 V
Reverse Leakage Current IR VRWM=5V 1 uA
Clamping Voltage VC IPP=1A; tp=8/20us 12 V
Clamping Voltage VC IPP=4.5A; tp=8/20us 22 V
Junction Capacitance CJ VR=0V; f=1MHz 0.3 pF

表1 SELC2F5V1BT电气特性表

Parameter Symbol Conditions Min. Typ. Max. Units
Reverse Stand-off Voltage VRWM 5.0 V
Reverse Breakdown Voltage VBR IT=1mA 6.0 9.0 V
Reverse Leakage Current IR VRWM=5V 1.0 uA
Clamping Voltage VC IPP=1A; tp=8/20us 8.0 10.0 V
Clamping Voltage VC IPP=4A; tp=8/20us 11.0 13.0 V
Junction Capacitance CJ VR=0V; f=1MHz 0.6 0.8 pF

表2 SELC23T5V2U电气特性表

总结与结论

由于I2C总线在连接各种电子设备内部组件上的重要作用,保护I2C总线免受ESD静电损害极为关键。ELECSUPER SEMI研发各种低电容低钳位电压的ESD保护器件,可按照客户需求性能与封装提供定制化开发服务,为各种接口提供值得信赖的保护器件。以上解决方案是保护I2C总线的优选之策,确保设备能够高效、可靠地运行。

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