单片机接口电路设计中的电流倒灌和电平转换问题

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cathy 发布于:周一, 01/30/2023 - 09:52 ,关键词:

接口电路的设计在电单片机应用场合中还是很重要的,因为如果接口电路没有设计好,严重就会烧芯片,或者烧芯片IO口,轻者就会导致工作紊乱,工作不正常。

有时候这种问题自己在设计调试的时候根本发现不了,在批量生产或者用户在使用的时候才出现芯片被烧掉,或者IO口被烧掉。如果我们在设计的时候能考虑到接口的一些问题就可以减少,提高产品的可靠性。

下面我们就从电流倒灌问题和电平匹配问题进行叙述。

电流倒灌

1、概念

倒灌就是电流流进IC内部,电流总是流入电势低的地方。比如说电压源,一般都是输出电流,但是如果有另一个电源同时存在,并且电势高于这个电源,电流就会流入这个电源,称为倒灌。

2、危害

1)电流太大会将使IO口上的钳位二极管迅速过载并使其损坏。

2)会使单片机复位不成功。

3)会使可编程器件程序紊乱。

4)会出现闩锁效应。

3、原因

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如上图,STM32的IO口框图。

当两个单片机进行串口通信,如果其中一个单片机断电,另一个单片机继续供电,正常运行。那么没有断电的单片机的IO口给断电的单片机的IO口供电,并同通过上拉保护二极管向断电的单片机进行供电。或者说两个单片机供电电压不一样,电流就会从供电高的一方流向供电低的一方。

4、解决办法

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如上图,加一个小电阻,可以防止过流损坏二极管D1。还可以进行阻抗匹配,因为信号源的阻抗很低,跟信号线之间阻抗不匹配,串上一个电阻后,可改善匹配情况,以减少反射,避免振荡等。也可以减少信号边沿的陡峭程度,从而减少高频噪声以及过冲等。但不能解决灌流在Vcc上建立电压。一般情况下就会选择串电阻,取值范围是几欧到1K欧,根据实际情况而定,小编我喜欢取330欧。
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如上图,在信号线上加二极管D3及上拉电阻R1,D3用于阻断灌流通路,R1解决前级输出高电平时使G1的输入保持高电平。

此方法既可解决灌流损坏二极管D1的问题,又可解决灌流在Vcc上建立电压。缺点只适用于速率不快的电路上。如果单片机IO口比较脆弱,或者两边电压不也一样需要低成本进行电平转换,且是但一方向,速率比较低(比如串口)的时候就可以选择该方案。二极管要选择肖特基二极管才比较好。

电平转换

在电路设计过程中,会碰到处理器MCU的I/O电平与模块的I/O电平不相同的问题,为了保证两者的正常通信,需要进行电平转换。如果两边的电平不一样就直接连接进行通信,像TTL电平就会出现上一节将的那样电流倒灌现象。

设计电平转换电路需要几个问题:

(1)VOH>VIH;VOL<vil

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各种电平的电压范围,如上图。

(2)对于多电源系统,某些器件不允许输入电平超过电源电压,针对有类似要求的器件,电路上应适当做些保护。

(3)电平转换电路会影响通信速度,所以使用时应当注意通信速率上的要求。

1、NPN三极管电平转换

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这个电平转换就是两级三极管电路组成。三极管只能单向进行转换,而且元器件比较多。

2、NMOS电平转换

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该电路可实现双向传输,使用条件是VCC2>VCC1+0.7V,这个电路也是小编我常用的电路。

其工作过程是:

Port1向Port2传输:

(1)Port1高电平时,NMOS的Ugs=0V截止,Port2端的电压为VCC2高电平。

(2)Port1低电平时,NMOS的Ugs=3.3V导通,Port2端的电压为Port1端的电压低电平。

Port2向Port1传输:

(1)Port2高电平时,NMOS的Ugs=0V截止,Port1端的电压为VCC1--高电平。

(2)Port2低电平时,NMOS的体二极管导通,使得Vs的电压为0.7V左右,那么Ugs=VCC1-0.7V,只要选择的开启电压小于Ugs电压就可以让MOS管导通,Port1端的电压为Port2端的电压--低电平。

3、使用专用电平芯片转换电平

使用专用的电平转换芯片,分别给输入和输出信号提供不同的电压,转换由芯片内部完成,例如PCA9306DCTR等电平转换芯片。专用芯片是最可靠的电平转换方案。

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优势:

1) 驱动能力强:专用芯片的输出一般都使用了CMOS工艺,输出驱动10mA不在话下。

2) 漏电流几乎为0:内部是一些列的放大、比较器,输入阻抗非常高,一般都达到数百K。漏电流基本都是nA级别的。

3) 路数较多:专用芯片针对不同的应用,从2路到数十路都有,十分适合对面积要求高的场合。

4) 速率高:专用芯片由于集成度较高,工艺较高,,速率从数百K到数百M的频率都可以做。

劣势:

1) 成本:专用芯片集众多优势于一身,就是成本是最大的劣势,一个普通的数百K速率的4通道电平转换芯片,价格至少要1元人民币以上,如果使用三极管做,成本2毛钱都不到。

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4、使用电阻分压转换电平
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优势:

1) 便宜:便宜是最大的优点,2个电阻一分钱不到;

2) 容易实现:电阻采购容易,占用面积小。

劣势:

1) 速度:分压法为了降低功耗,使用K级别以上的电阻,加上电路和器件的分布和寄生电容,速率很难上去,一般只能应用于100K以内的频率。

2) 驱动能力:由于使用了大阻值的电阻,驱动能力被严格控制,并不适合需要高驱动能力的场合,例如LED灯等

3) 漏电:漏电是该方案最大的缺点,由于通过电阻直连,左右两端的电压会流动,从而互相影响。例如,RS232接口采用该方案,上电瞬间外设就给主芯片提供2.8V的电平,轻则影响时序导致主芯片无法启动,重则导致主芯片闩锁效应,烧毁芯片。

5、使用电阻限流转换电平

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优势:

1) 便宜:便宜是最大的优点,只需要一个电阻就解决。

2) 容易实现。

劣势:

1) 电阻选值不是很容易选择,需要对芯片内部很熟悉。

6、使用二极管转换电平

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优势:

1) 漏电流小:由于二极管的漏电流非常小(uA级),可以单向防止电源倒灌,防止电流倒灌。

2) 容易实现。

劣势:

1) 电平误差大:主要是二极管的正向压降较大,容易超出芯片的工作电压范围。

2) 单向防倒灌:只能单向防止倒灌,不能双向防止倒灌。

3) 速度和驱动能力不理想:由于电阻限流,驱动速度和能力均不理想,只能应用在100K以内的频率。

来源:STM32嵌入式开发

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