개요: I²C 또는 SMBus™와 같은 2-wire 버스가 내장된 애플리케이션은 상승 시간, 전력 소모, 잡음 내성 간에 트레이드오프가 필요하다. 이러한 오픈 드레인 버스에서 로우-하이 천이의 상승 시간은 풀 업 저항과 버스 커패시턴스에 의해 결정되기 때문에, 주변 장치와 라우팅 트레이스, 커넥터 등을 추가할 때 깨끗하고 빠른 에지 파형을 유지하기 어렵다. 이와 같은 상승 시간 문제를 해결하기 위해, 이 애플리케이션 노트에서는 상승 시간을 앞당기고 잡음 내성을 높이며, 전력 소모를 최소화하는 상승 시간 가속 회로를 제시한다.
회로 설명
일부 2-wire 버스 애플리케이션에서, 정확한 크기의 풀 업 저항은 적절한 전력 소모와 함께 우수한 잡음 내성에 충분한 속도의 상승 시간을 제공한다. 그러나 높은 버스 커패시턴스를 갖는 대형 시스템이나 전력 요구사항이 엄격한 휴대용 시스템에서는, 오픈 드레인 신호를 위해 더 짧은 상승 시간을 제공하는 능동 회로가 필요할 수 있다.
그림 1은 MAX3373을 사용하여 상승 시간을 높이는 동시에 잡음 내성을 향상시키고 전력 소모를 최소화하는 상승 시간 가속 회로를 보여준다. 여기에서 MAX3373 저전압 레벨 변환기는 변환 기능보다는 상승 시간 가속 기능을 위해 사용되었다. 이 IC가 I/O 핀에서 전압 상승을 검출하면, 내부의 강한 풀 업(pFET)에 신속히 전원을 인가하여 기생 버스 커패시턴스를 빠르게 충전한다. 그런 다음 가속 회로는 단 10kΩ의 내부 풀 업 저항(및 모든 외부 풀 업 저항)만 남기고 디스에이블되어 높은 로직 레벨을 유지한다.
그림 1. MAX3373은 상승 시간 가속 회로를 사용하여 빠른 버스에서 높은 커패시턴스를 구동한다.
성능 평가
상승 시간 가속기로서의 MAX3373의 효율은 개별 오픈 드레인 FET가 2개의 개별 라인을 동시에 구동하는 그림 2의 회로를 사용하여 테스트된다. 채널 1은 MAX3373에 의해 가속화되며, 채널 2는 간단한 풀 업 저항과 기생 커패시턴스로 종단된다(C는 두 라인에서 동일). MAX3373의 입/출력(I/O VCC 및 I/O VL 핀)에는 내부 10kΩ 풀 업 저항이 포함되어 있기 때문에, 소자의 유효 풀 업 저항은 단 5kΩ에 불과하다. 결과는 110pF로 양호하며(그림 3), I²C 버스에 최대 400pF 정도까지는 허용된다(그림 4). (그림 3과 4의 시간 척도는 서로 다름.)
그림 2. 이 회로는 MAX3373 회로의 커패시턴스와 클록 레이트 대비 상승 시간을 평가하기 위해 사용되었다. 채널 1은 MAX3373을 사용하여 상승 시간을 높이며, 채널 2의 상승 시간은 간단한 풀 업 저항과 기생 커패시턴스에 의해 결정된다.
MAX3373 회로를 사용하여 얻은 장점을 평가하기 위해 2-wire 버스에 공통적인 클록 속도 100kHz와 400kHz를 살펴보기로 한다. 100kHz에서 주기는 10µs이며 하이 상태에서는 단 5µs이다. 그러므로 ~110pF 커패시턴스와 5kΩ 풀 업(그림 3)에 대한 상승 시간은 ~1.25µs로 주기의 12%에 불과하다. 이 경우, 성능은 상승 시간을 가속하지 않아도 사용 가능한 수준이다.
그림 3. MAX3373 회로(채널 1)의 상승 시간 vs. 5kΩ 풀 업, 100kHz 클록, 110pF 기생 커패시턴스의 비가속 회로(채널 2)의 상승 시간
그러나 400pF 기생 커패시턴스의 경우 상승 시간은 ~4µs인데, 이는 주기의 40%로 100kHz 시스템에서는 대부분 사용할 수 없다. 400pF 시스템에서 MAX3373을 사용하여 상승 시간을 가속화하면 90% 상승하여 500ns가 되며, 이는 10µs 주기의 5%에 불과하다(그림 4).
그림 4. MAX3373 회로(채널 1)의 상승 시간 vs. 5kΩ 풀 업, 100kHz 클록, 400pF 기생 커패시턴스의 비가속 회로(채널 2)의 상승 시간
400kHz 버스(2.5µs 주기에서 1.25µs 하이 상태)의 경우, 위의 5kΩ 및 ~110pF 상태는 주기의 50%인1.25µs의 상승 시간을 제공하며, 이는 일반적으로 허용되지 않는다. 커패시턴스를 400pF로 상승시키면 상승 시간은 5µs가 되며, 이는 주기의 두 배로 허용되는 수준을 명백히 벗어난다. 그러나 ~110pF 부하 커패시턴스를 갖는 MAX3373 회로를 사용하면 250ns 상승 시간의 90%를 달성할 수 있으며, 이는 2.5µs 주기의 10%에 불과하다. 400pF에서는 주기의 20%인 ~500ns의 상승 시간을 갖는다.
요약
MAX3373 회로를 상승 시간 가속기로 이용하는 것은 2-wire 버스에서 클록 대비 상승 시간 문제를 해결하기 위한 여러 가지 방법 중 하나이다. 일부 경우 풀 업 저항을 낮추어 상승 시간을 높일 수 있지만, MAX3373은 상승 시간을 높이는 동시에 잡음 내성을 향상시키고 전력 소모를 최소화하는 간편한 방법을 제공한다.
유사한 기사가 2006년 5월 24일자 Planet Analog(EE Times 부록)에 게재되었음.
SMBus는 Intel Corporation의 상표이다.
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