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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显示屏驱动器、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。

2. 通信过程

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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)

结电容(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。