I²C-Überspannungsschutz ausgefallen

Wie kann ich das Design/die Komponenten ändern, um fast 3,3 V am GPIO-Pin (wenn er hoch ist) und eine präzise Spannungsklemmung zu haben?

Zenerdioden sind nicht so perfekt, wie Sie vielleicht denken. Selbst unterhalb der Zenerspannung leiten sie noch etwas Strom und lassen aufgrund des Pull-up-Widerstands (4,7 kΩ) nicht die vollen 3,3 Volt an Ihrem I2C-Pin erscheinen. Sie könnten besser abschneiden, wenn Sie anstelle einer Zenerdiode eine Schottky-Diode vom I2C-Pin zu Ihrer lokalen 3,3-Volt-Schiene verwenden, dh über Ihren 4k7-Widerstand: -

Dadurch wird die I2C-Spannung auf etwa 3,6 Volt oder vielleicht 3,7 Volt begrenzt, indem überschüssiger Strom, der durch den 330-Ω-Widerstand in die Stromschiene eingespeist wird, zurückgeführt wird. Dies hängt von der Fähigkeit der meisten Chips ab, einer etwas höheren Spannung an ihren IO-Pins als ihren Versorgungsschienen-Pins standzuhalten. Es ist gängige Praxis, funktioniert aber nur, wenn Ihr I2C-Schnittstellenchip diese "überschüssige" Fähigkeit hat.

Zenerdioden unter etwa 5 V sind wirklich schrecklich und lassen einen erheblichen Strom unterhalb ihrer Zenerspannung durch.

Dieses Diagramm für eine typische kleine Zenerdiode ( BZX84 ) zeigt, wie weich die "Knie" -Spannung für die Niederspannungs-Zenerdioden im Vergleich zu höheren Spannungen ist. Das 6,8-V-Gerät hat ein ziemlich scharfes Einschalten, während die 3,3-V-Version kaum ein Knie hat.

(Beachten Sie, dass das Diagramm eine logarithmische Skala für die y-Achse verwendet, die die Niedrigstromeigenschaften erweitert).

Die 3,3-V-Diode in diesem Diagramm durchläuft etwa 100 uA bei 2,4 V

Zenerdioden über etwa 6 V arbeiten durch einen anderen Mechanismus, der als Lawineneffekt bezeichnet wird, und zeigen einen viel näher an einem idealen Betrieb. Ich persönlich verwende niemals Zenerdioden unter diesen 5-6 V.

Eine weitere unerwünschte Eigenschaft von Niederspannungs-Zenerdioden ist ihre sehr hohe Kapazität – das BZX84 3,3-V-Gerät hat eine Kapazität von 450 pF. Dieser hohe Pegel kann Schaltkreise wie den I2C-Schutz stark beeinträchtigen. Andere Ansätze, die eine Schottky-Diode für eine Versorgung verwenden, haben eine viel geringere Kapazität.

BZX84 Datenblatt

Sie haben eine 3,3-V-Versorgung und eine 3,3-V-Zenerdiode mit einem Widerstand dazwischen.

Damit wäre die Spannung am Widerstand 0 V und es kann kein Strom fließen. Es kann also nicht so funktionieren, wie Sie es beabsichtigt haben, da die Teile nicht so funktionieren, wie Sie es sich vorstellen.

Es gibt ein Missverständnis von Zenerdioden als „magische Spannungsabfälle“. Tatsächlich sind sie ein lineares Teil mit einer Reihe von Eigenschaften, die in ihrem Datenblatt angegeben sind. Das tatsächliche Verhalten des Zeners muss ausgelegt werden, nicht der imaginäre Spannungsabfall.

Du brauchst also eine komplett andere Schaltung.

Wie wäre es mit einem bidirektionalen Level-Shifter mit gleichen Pegeln?

Dieses Setup wird für verschiedene Spannungen auf einem i2c-Bus verwendet, aber ich denke , es sollte auch für 3v3 bis 3v3 funktionieren (aber ich habe das nicht getestet). Der Mosfet sollte in der Lage sein, 8v4 auf der Steckerseite zu widerstehen und ansonsten dem Signal zu folgen.

https://assets.nexperia.com/documents/application-note/AN10441.pdf

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Hier ist ein (schrecklicher) Ansatz:

Es ist im Wesentlichen eine ideale Diode, die vom Ausgang mit 3,3 V verbunden ist, und ein Eingangswiderstand, damit kein "unendlicher" Strom sinkt.

Hauptprobleme bei diesem Ansatz:

1. Es erfordert ein angepasstes Paar von Transistoren für den Stromspiegel. (Sie können Doppelpakete mit 2 angepassten Transistoren erhalten.)
2. Es erfordert ein paar Komponenten.
3. Obwohl dies bei niedrigen Frequenzen funktioniert, ist das Einschwingverhalten schrecklich. Sie können dies abmildern, indem Sie parallel zum FET eine (Schottky-) Diodenklemme hinzufügen. Dadurch werden jedoch keine Transienten entfernt , sondern nur ihre Länge verringert.
4. Da der FET einen endlichen Widerstand hat, steigt der Ausgang bei hohen Spannungen nur langsam an. Sie können dies abmildern, indem Sie den Widerstand erhöhen, aber:
5. Ihre Ausgangsimpedanz ist schrecklich (in diesem Beispiel 3,3 k). Dies wird hauptsächlich bei höheren Frequenzen ein Problem. Sie können dies abmildern, indem Sie den Widerstand verringern, aber siehe 3 und 5.
6. Bei hohen Spannungen fangen Sie an, eine beträchtliche Menge an Leistung über den Widerstand abzuleiten. Sie können dies abmildern, indem Sie den Widerstand erhöhen, aber siehe 4.
7. Sie haben eine ziemliche Belastung am Ausgang, was die Signale weiter verlangsamt / verzerrt.

(Sie können natürlich im Wesentlichen genau dasselbe mit einem Operationsverstärker machen, obwohl Sie auf die Bandbreite achten müssen.)

(Sie können auch etwas Ähnliches mit einer idealen Diode machen, obwohl Sie auch hier auf die Bandbreite achten müssen.)

...das alles gesagt, verwenden Sie einfach einen Isolator. Es ist einfacher. (Es sei denn, Sie tun dies in großen Mengen, in diesem Fall ist es nicht die billigste Option.)

2,4 V für einen High-Pegel sind meiner Meinung nach viel zu wenig

Warum zählt hier deine Meinung? Die einzige "Meinung", die zählt, ist das Datenblatt für das Gerät, mit dem Sie eine Verbindung herstellen. Nichts anderes ist wichtig.

Als schnelle Referenz habe ich das Datenblatt für den TI OMAP-L138-Mikrocontroller geholt, mit dem ich gerade arbeite. Bei einer 3,3-V-Versorgung beträgt das logische High an den Eingängen mindestens 2,0 V und das logische Low maximal 0,8 V. Ihr Eingang mit 2,4 V für logisch hoch wäre absolut zuverlässig.

Allerdings liefert Ihre Schaltung möglicherweise nicht zuverlässig 2,4 V, da Zener keine brillant lineare Komponente sind. Sie müssten sich ihre Kurven mit Toleranzen und über verschiedene Temperaturen hinweg ansehen, um sicher zu sein, ob 2,4 V der beste oder der schlechteste Fall sind.

Ich würde auch hinzufügen, dass Ihre Schutzschaltung auch den Eingang abdecken sollte, der unter 0 V geht. Sie denken vielleicht, dass dies nicht passieren kann, aber wenn Sie sich in einer industriellen Umgebung befinden, ist dies keine sichere Annahme.