详解I2C总线电平转换芯片在安防产品的应用

众所周知，现在CPU供电电压有越来越低的趋势，然而外围功能模块的供电电压跟不上CPU供电电压下降的速度，因此近些年来，电子产品中出现电平不匹配的情况越来越多，常见的解决方法有以下几种：

1.晶体管+上拉电阻法

就是一个双极型三极管或MOSFET，C/D极接一个上拉电阻到正电源，输入电平很灵活，输出电平大致就是正电源电平。

2.OC/OD器件+上拉电阻法

和第一种非常类似，适用于器件输出刚好为OC/OD的场合。

3.电阻分压法

最简单的降低电平的方法，假设幅值5V电平，经1.6k+3.3k两个电阻对地分压，就是3.3V.

4.专用电平转换芯片

把所有功能都集成在一颗芯片内，并在芯片内部做边沿处理，体积小，速度快。

下面就着重讲一下电平转换芯片。所谓电平转换芯片就是能连接两个不同供电电压的IC或是模块，解决这些IC或是模块的系统供电问题，使这些IC或模块能正常通信。一般评价一种电平转换芯片的性能可以从以下几个方面出发：

1.解决电平匹配的能力，不简单于电平的转换，还有噪声容限等抗干扰问题。

2.转换速度，主芯片速率不断提升，要保证传输信号的完整性。

3.电源时序的控制。

4.驱动能力。

图1：电平转换芯片应用示意图

上图中的电平转换芯片是双电源逻辑器件，常见的双电源电平转换芯片包括单方向转换、带方向控制的双向转换(独立的方向控制引脚)、自动感应双向转换，其中自动感应双向转换还包括推挽式和漏极开路式(I2C等应用)两种输出形式。

图2：双向自动感应推挽输出结构图

图3：双向自动感应漏极开路输出结构图

图2和图3是英联半导体公司两种输出形式的双向自动感应电平转换芯片的内部结构图，下面简单介绍一下芯片的工作方式，图2是推挽输出，这种输出方式要求A、B端口不接上拉或下拉电阻，假如特定情况必须有上下拉电阻，那么阻值必须大于50k欧姆，否则A、B端口可能检测不到高电平或者低电平。图3是漏极开路输出，主要应用于I2C、SPI等IO口需要有上拉电阻的应用。也可以兼容推挽的应用，但是于推挽传输速度相对较慢。结构图中的One-Shot是处理边沿的内部功能电路，能提升转换速度。两种都不需要方向引脚控制，能自动检测出IO端口的输入输出形式。英联电子的双向自动感应电平转换芯片已经广泛应用于各种电子产品中，包括手机、POS机、行车记录仪、安防系统等。

UM3212是一款支持I2C总线和SMBUS的自动双向，带使能端的电平转换芯片。

图4：UM3212典型应用线路

支持1.0V-3.6V(VREF1)和1.8V-5.5V(VREF2)的工作范围。EN是开关使能端，参考电平是VREF2.EN为高，内部SW处于导通状态，SCL1、SDA1分别连接到SCL2、SDA2，允许数据双向传输，内部的SW有非常小的导通电阻，因此信号传输延时非常小。当EN为低，SW被关闭，端口是高阻态。

作为标准的I2C系统，UM3212提供一个标准的集电极开路I2C总线，通过上拉电阻为中心提供逻辑高电平。上拉电阻的大小与系统传输速率有关，但转换器必须有上拉电阻。UM3212可以连接到标准模式、快速模式和快速模式Plus的I2C总线器件和SMBUS器件，最大频率取决于RC时间常数，可支持2MHz以上的时钟频率。

下面是UM3212在IPC中的应用。

IPC(IP Camera)现在已经不局限于工业交通领域的使用，因为可以无线连接，方便使用，已经开始进入千家万户，有成为消费类电子产品的趋势。

图5：IPC结构示意图

现在市场IPC主平台竞争激烈，海思、TI、NXP、SONY等一线品牌都推出高清IPC解决方案。在很多高清IPC方案中，IPC的图像传感器是使用I2C和主平台通信，很多型号的传感器都会存在和主平台供电电压不匹配的情况。

图6：TI DM365和MT9P031通信示意图

上图DM365平台和CMOS传感器之间是I2C通信，需要一颗电平转换芯片解决电压不匹配问题。

UM3212是提供了一个很好的解决方案。

UM3212除了在IPC中有广泛的应用，还在门禁、可视电话、行车记录仪、GPS等安防产品都有广泛的应用。