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Filter und Überspannungsschutz

I²C-Bus störsicher auslegen

2. September 2023, 8:30 Uhr | Nicole Wörner

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Messung an einer Applikation mit 400 kHz Taktfrequenz

Zur Verifizierung der relativ simplen LTspice-Simulation, wurden zusätzlich Messungen an einem SensorBLE-FeatherWing-Kit von Würth Elektronik (Bild 5) durchgeführt. Dieses Kit besteht aus einer Masterplatine mit Mikrocontroller. Die anderen beiden Platinen umfassen ein WE-Bluetooth-Modul sowie verschiedene WE-Sensoren (3-Achsen-Beschleunigung, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck).

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Die Masterplatine kommuniziert mit den anderen beiden via I²C-Bus bei einer maximalen Datenrate von 400 kBit/s (Bild 6). Mit einer geeigneten Smartphone-App (z. B. WE-SensorBLE) lassen sich die Sensordaten dann visualisieren. Zur Nachbildung einer parasitären Kapazität von 400 pF gegenüber GND kommen MLCCs zum Einsatz. Es wurde zudem der in der Simulation modellierte Multilayer-SMT-Ferrit (742792693) verbaut, plus ein TVS-Diodenarray (824012823). Kabellitzen mit einer Länge von 20 cm verbinden die Sensorplatine mit dem restlichen I²C-Bus. Eine derartige Anordnung lässt sich in vielen Applikationen in der Praxis beobachten.

Messung an einer Applikation mit 400 kHz Taktfrequenz, Bilder 7-9

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Gemessen wurde immer der Spannungsverlauf an der SCL-Leitung. Die Messungen (Bilder 7, 8 und 9) zeigen praktisch ein identisches Ergebnis wie die Simulation. Die Anstiegszeit sowie die Signalqualität werden von dem Multilayer-SMT-Ferrit in Kombination mit der TVS-Diode nicht relevant negativ beeinflusst. Die als kritisch für das Timing zu bewertende Anstiegszeit des High-Signals hängt nur von der Buskapazität in Kombination mit den gewählten Pull-up-Widerständen ab. Mithilfe der Smartphone-App (WE-SensorBLE) konnte in allen drei getesteten Szenarien eine fehlerfreie Funktion verifiziert werden.

Simulation und Messung im Einklang

Sowohl die Simulation als auch die Messung zeigen, dass SMT-Ferrite in Kombination mit ESD-Schutzdioden das Datensignal (SDA) und das Taktsignal (SCL) des I²C-Busses praktisch nicht beeinflussen. Die Flankensteilheit der Signale wird größtenteils durch die Pull-up-Widerstände in Kombination mit der parasitären Buskapazität beeinflusst. Im Gegenzug erhöht diese Bauteilkombination aus ESD-Schutzdiode und breitbandig wirkendem SMT-Ferrit die Störfestigkeit des I²C-Busses. In der Praxis bedeutet das insbesondere eine höhere Immunität gegen ESD, Burst und eingestrahlte HF-Signale.

Literatur

[1] SensorBLE-Featherwing-Kit: https://www.we-online.com/de/ components/products/SENSOR_BLE_ _FEATHERWING_KIT
[2] Arora, R.: I²C Bus Pullup Resistor Calculation. Application Report SLVA689 von Texas Instruments: https://www.ti.com/lit/an/slva689/slva689.pdf

Der Autor

Andreas Nadler

ist seit 2015 Field Application Engineer bei der Würth Elektronik eiSos GmbH in der Business Unit für passive und aktive Bauelemente. Dort ist er spezialisiert auf den Entwurf von EMV-konformen Stromversorgungen und Schnittstellen, sowie die gesamte Entstörung elektronischer Baugruppen.