雙向二線制的I2C同步串行總線僅需兩根線（數(shù)據(jù)線SDA、時鐘線SCL）即可在一個主機與多個從機（一主多從）或多個主機與多個從機（多主多從）之間進行快速、可靠的數(shù)據(jù)交互，支持互連多個設(shè)備，實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的傳輸，具有電路設(shè)計簡單、成本可控與易于實現(xiàn)等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于板內(nèi)或板間IC之間的短距離通信場合中。

I2C總線結(jié)構(gòu)示意圖

通常，在采用I2C總線通訊的板內(nèi)電路中，各功能IC一般共享同一電源系統(tǒng)且走線距離極短，因此地電位差極小，不存在板間通信常見的接地環(huán)路與噪聲干擾等問題，亦不需要進行電氣隔離。

然而，無論是板內(nèi)還是板間電路，當I2C總線中要進行通信的節(jié)點落在不同等級的電壓域中時，則需要添加電氣隔離措施把I2C主機與一個或多個從機隔離開來，以增強總線的抗干擾能力，解決噪聲、接地與安全等問題，并同時滿足行業(yè)的安規(guī)要求。

I2C總線通信中，電氣隔離優(yōu)勢有哪些？

例如，在一些系統(tǒng)功能復(fù)雜、存在不同電壓域、需要多個獨立模塊的嵌入式系統(tǒng)中，主控處理器需實時與系統(tǒng)中的傳感器、EEPROM存儲器與驅(qū)動器等多個獨立模塊進行I2C板間通信。

而在對主控處理器與獨立模塊間采取電氣隔離措施后，不僅能隔斷外部功率器件開關(guān)過程中所產(chǎn)生的噪聲傳導路徑，提升傳感器采樣精度，還能消除接地環(huán)路引起的接地環(huán)流，增強系統(tǒng)容錯能力，實現(xiàn)電路的熱插拔應(yīng)用，從而顯著提升多模塊協(xié)同工作場景下的數(shù)據(jù)傳輸完整性與系統(tǒng)運行安全性。

此外，在采用I2C總線的板內(nèi)通信系統(tǒng)中，傳感器在采集溫度、電流等微弱信號時，若是存在高精度的ADC/DAC轉(zhuǎn)換器，為避免電源串擾及微處理器噪聲對高精度模擬電路產(chǎn)生干擾，亦需在微處理器和高精度ADC/DAC轉(zhuǎn)換器之間采取電氣隔離措施，以避免對系統(tǒng)的測量精度造成影響。

CMT810X，高可靠性雙向I2C數(shù)字隔離器

I2C數(shù)字隔離器作為一種專用于隔離I2C總線通信的集成電路器件，其核心價值是確保I2C協(xié)議兼容性與信號完整性的前提下，實現(xiàn)兩個電氣系統(tǒng)之間的電氣隔離，阻斷它們之間的直接電流通路，同時保證I2C通信信號（時鐘SCL和數(shù)據(jù)SDA）的正常傳輸。

例如，華普微自主研發(fā)的CMT810x就是一系列基于電容式隔離柵技術(shù)的高可靠性雙向I2C數(shù)字隔離器，如下圖所示，它們外圍電路簡單，只需要雙端電源供電及在I2C通信引腳連接上拉電阻滿足芯片的開漏驅(qū)動即可實現(xiàn)對I2C總線的隔離。

CMT810x系列I2C數(shù)字隔離器為符合AEC-Q100 標準，UL1577安規(guī)，支持多種電氣隔離耐壓（3.75 kVrms、5 kVrms）；同時能在低功耗條件下提供高電磁抗擾度和低輻射的性能。

CMT810X系列I2C數(shù)字隔離器的I2C時鐘高達2MHz，共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 高達150kV/us。CMT810X系列器件的寬電源電壓支持直接連接大多數(shù)數(shù)字接口，平穩(wěn)實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。其高系統(tǒng)級EMC性能還能增強設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

CMT810X系列器件內(nèi)部的I2C接口被分成兩個單向通道，每個通道通過一個專用的電容隔離通道在相反的方向上進行通信。數(shù)字信號由發(fā)射端內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的射頻載波進行調(diào)制，而后通過電容隔離柵傳輸并在接收器側(cè)解調(diào)。

如上圖所示，CMT8100N/WH是用于時鐘和數(shù)據(jù)線的高可靠性雙通道雙向隔離器；CMT8101N/WH為具有雙向數(shù)據(jù)和單向時鐘通道的隔離器。 CMT8100N/WH適用于多主機應(yīng)用，而CMT8101N/WH適用于單主機應(yīng)用。

CMT810X系列器件的Side2邏輯電平為標準I2C值，兩側(cè)最大負載≤400pF。因此，通過Side2引腳連接到總線的多個CMT810X設(shè)備可以相互通信，也可與其他I2C兼容設(shè)備進行通信。

CMT810X系列器件的Side1邏輯電平不是I2C標準值。CMT810X的輸出低電平為650mV，而低電平輸出電壓到高電平輸入電壓的閾值為50mV，這樣可以防止Side1的輸出邏輯低電平被傳輸回Side2并拉低I2C總線。

展望未來，隨著工業(yè)通信與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，I2C數(shù)字隔離器作為保障I2C總線通信質(zhì)量及其安全運行的重要元器件之一，將會朝著更高集成度、更高可靠性與更優(yōu)性能的方向持續(xù)演進，并迎來更加廣闊的發(fā)展空間。