SGM4551B：雙路雙向I2C總線和SMBus電壓電平轉換器的深度剖析

在電子設計領域，I2C總線和SMBus的應用極為廣泛，而電壓電平轉換在其中起著關鍵作用。SGM4551B作為一款雙路雙向I2C總線和SMBus電壓電平轉換器，為工程師們提供了強大而靈活的解決方案。今天，我們就來深入了解一下這款產品。

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一、產品概述

SGM4551B是一款具有使能（EN）功能的2位、SMBus、雙路、雙向I2C電壓轉換器。其典型的工作電壓范圍為：(V{REF1}) 從1.2V到3.3V，(V{REF2}) 從1.8V到5V，信號能夠在1.2V到5V之間雙向傳輸。由于其低導通電阻，傳播延遲非常小。當EN引腳處于高電平時，電壓轉換器處于透明狀態，允許SCL1和SCL2、SDA1和SDA2分別連接，且傳輸方向為雙向；而當EN引腳處于低電平時，由于此時的高阻抗特性，傳輸將暫停。

二、產品特性

（一）雙向I2C轉換

支持I2C和SMBus兼容，能夠實現雙向信號傳輸，為不同電壓域之間的通信提供了便利。

（二）低傳播延遲

傳播延遲小于5.5ns，確保信號能夠快速準確地傳輸，滿足高速通信的需求。

（三）可接受的電壓參考

提供多種電壓參考組合，如1.2V (V{REF1}) 和1.8V、2.5V、3.3V或5V (V{REF2}) 等，適應不同的應用場景。

（四）低導通電阻

典型值為3.5Ω，減少了信號傳輸過程中的損耗，提高了信號質量。

（五）GPIO端口與I2C開漏邏輯

SCL1、SDA1、SCL2和SDA2為GPIO端口，支持I2C開漏邏輯，方便與其他設備連接。

（六）混合模式信號支持

I/O端口支持5V容限的混合模式信號，增強了產品的兼容性。

（七）高阻抗模式

當EN為低電平時，SGM4551B處于高阻抗模式，實現隔離功能。

（八）無鎖定操作

在EN為低電平時，具有無鎖定操作的特性，確保系統的穩定性。

（九）引腳布局優勢

內部材料的引腳布局有利于PCB布局，方便工程師進行設計。

（十）多種封裝形式

提供綠色SOT - 23 - 8和VSSOP - 8封裝，滿足不同的安裝需求。

三、電氣特性

（一）電壓范圍

輸入/輸出電壓VI/O、參考電壓(V{REF1}) 和(V{REF2}) 以及使能輸入電壓(V_{EN}) 的范圍均為0 - 5V。

（二）電流參數

通過開關的電流(I{PASS}) 最大為64mA，輸入鉗位電流(I{IK}) 為 - 50mA，輸入泄漏電流(I{IH}) 為8μA，使能泄漏電流(I{EN}) 為1μA。

（三）電容參數

輸入電容(C{I(EN)}) 為15pF，關斷電容(C{IO(OFF)}) 為8pF，導通電容(C_{IO(ON)}) 為7pF。

（四）導通電阻

導通電阻(R{ON}) 與使能電壓(V{EN}) 和輸入電壓(V_{I}) 有關，不同條件下的導通電阻值有所不同。

四、開關特性

SGM4551B的開關特性包括向下轉換和向上轉換兩種情況。在不同的使能電壓和負載電容條件下，其傳播延遲時間(t{PLH}) 和(t{PHL}) 有所不同。例如，在EN = 3.3V、(C{L}) = 50pF的條件下，向下轉換時(t{PLH}) 為1.0ns，(t{PHL}) 為1.1ns；向上轉換時(t{PLH}) 為1.6ns，(t_{PHL}) 為1.2ns。

五、應用信息

（一）I2C通用應用

由于總線引腳的電容限制為400pF，連接到SGM4551B的設備數量會受到一定限制。但SGM4551B能夠隔離I2C總線的兩側，使得更多的I2C設備可以與之連接。它支持400kHz和100kHz兩種總線頻率，當需要兩種頻率時，400kHz的優先級更高。如果主設備的頻率為400kHz，由于中繼器的額外延遲，設備的工作頻率必須低于400kHz。

（二）雙向轉換

在雙向應用中，建議將參考引腳連接到(V{REF2}) ，SCL和SDA引腳都應通過電阻上拉。在(V{REF2}) 引腳添加旁路電容可以提高穩定性。主設備和從設備的輸出可以是推挽或開漏結構（開漏結構需要上拉電阻）。如果使用推挽結構生成輸出，SGM4551B可以單向操作或通過方向控制機制進行控制，以防止競爭風險；對于開漏輸出結構，不需要任何傳輸方向控制機制。

（三）上拉電阻選型

上拉電阻的作用是在輸出為高電平時將工作電流限制在15mA，此時通過電壓約為350mV。上拉電阻的計算公式為：(R{PU}=frac{V{DPU}-0.35V}{0.015A}) 。不同的(V_{REF}) 和工作電流對應不同的上拉電阻值，建議選擇+10%的電阻值，以確保通過電壓在350mV以內。

（四）帶寬

SGM4551B支持不同的頻率應用，能夠在頻率大于50MHz的條件下工作。其帶寬受導通電阻和導通電容的影響，-3dB點的轉折頻率為250MHz。對于數字應用，輸入信號的前五次諧波不應被設備衰減，因此最大帶寬應是輸入數字信號的五倍。由于SGM4551B的轉折頻率約為250MHz，所以它能夠支持頻率為50MHz的數字信號。

六、提高性能的建議

（一）縮短距離

在PCB設計中，盡量縮短處理器與SGM4551B之間的距離，減少走線長度，以降低信號傳輸的延遲和干擾。

（二）減少反射

通過減少走線長度，使其小于信號傳輸時間的一半，可以改善振鈴和反射現象。

（三）添加電阻

在1.8V側添加一個上拉電阻，以減少過沖現象。同時，SGM4551B的應用期望具有較慢下降時間的下降沿。

七、總結

SGM4551B作為一款功能強大的雙路雙向I2C總線和SMBus電壓電平轉換器，具有多種特性和優勢，適用于各種I2C和SMBus應用場景。在實際設計中，工程師們可以根據具體需求選擇合適的電壓參考、上拉電阻和工作頻率，同時注意PCB布局和信號處理，以充分發揮SGM4551B的性能。大家在使用SGM4551B的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題或者有什么獨特的應用經驗呢？歡迎在評論區分享交流。