使用 STM32 TT 类型 IO 的注意事项

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cathy 发布于:周一, 11/27/2023 - 09:12 ,关键词:

01、概述

在 STM32 系列 MCU 中, 除了一些特殊管脚外,绝大多数管脚都可以分类为 FT (兼容5V 信号)或 TT(兼容 3V3 信号)类型的 IO,由于 MCU 内部设计的不同, TT IO 相比 5V IO 有更多的限制,下面我们将予以说明。

02、TT 和 FT IO 的结构和参数区别

下面我们解释 TT 和 FT IO 的不同内部结构以及因此导致的对输入电压和电流的不同限制要求。

2.1. TT 和 FT IO 的结构区别

下面的图 1 描述了 TT 和 FT IO 的通用结构:

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图1.TT/FT IO 的内部结构

TT 和 FT IO 的内部结构在 IO 端口的保护电路 (IO 到 VSS 二极管以及 ESD 保护单元),输出 BUFFER,数字控制单元以及模拟单元都是相同的。 

区别在于, 对于 FT IO 来说,从 IO 输入到模拟单元之间存在一个模拟开关,只有在软件控制相关寄存器后这个开关才会闭合. 而对 TT IO 来说, 这一模拟开关是不存在的,IO 管脚与模拟单元直接相连。

2.2. 结构不同导致对电平和电流的不同要求

从图 1 结构图中可以看到, 在 IO 内部的模拟单元中存在一个输入信号到 VDDA 寄生二极管和相串联的电阻,该二极管是寄生的,因此其电流能力是无法保证的,不但不能用做模拟输入信号的钳位二极管,而且还要避免任何从输入信号到 VDDA 的注入电流的产生, 否则可能导致内部相关电路的损坏。 

因此对于 FT IO 的数字输入信号来说, 由于模拟开关被断开, 输入的信号即使高于VDDA 也不会导致模拟单元中寄生二极管电流的产生,在 VDD+4V 的范围内, IO 是安全的。 

如果 FT IO 被配置为模拟输入,模拟开关闭合, 那么它就不再是兼容 5V 的 IO 了,输入信号的幅度必须小于 VDDA+0.3V。 

对于 TT IO 来说,由于不存在到模拟单元的模拟开关,模拟单元的寄生二极管和 IO 口是直接相连的,因此,在任何时候都必须保证加到 TT IO 端口的信号电平小于VDDA+0.3V。 

另外需要补充的是,如果 IO 输入信号可能存在负电平,尽管 TT 和 FT 类型的 IO 都在端口处设计有到 VSS 的二极管,这一二极管提供了一定的钳位保护能力,但是其通过电流能力限制在 5mA 以下。因此,外部钳位二极管通常仍然是必须的,如果不能通过外部钳位二极管将输出负电平信号限制在大于 -0.3V, 那么就需要串联限流电阻将流经二极管的负注入电流限制在 5mA 以下。

2.3. STM32 datasheet 中相关参数说明

在 STM32 的 datasheet 中对 IO 端口的电压和注入电流的要求有限制, 以STM32G474 为例, 在 Absolute maximum ratings 章节中, IO 对输入信号电压的要求如下:

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图2.IO 对输入信号电压的要求

很多人注意到了电压要求,认为只要加在 FT IO 的信号电平不超过 VDD+4V, 加在TT IO 的电平不超过 4V 都是安全的, 但是忽视了 IO 对工作电流和注入电流也有要求, 电流方面的要求也必须得到满足, 具体如下:

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图3. IO 对电流方面的要求

可以看到, IO 对注入电流同样有着限制,在-5mA 到 0 之间,超出这一范围仍然可能造成 IO 的损坏。 

对于 STM32 的使用来说, 电平和电流方面的限制必须都得到满足。

03、TT IO 的注意事项

使用者对加在 IO 的电平幅度限制一般都能遵守,但是对于 IO 电流特别是注入电流的严格限制往往被一些使用者忽视,然而实际上, IO 对注入电流的限制往往对加在 IO 管脚的信号电平提出了更高的要求。

对于 FT 类型 IO 来说, 只要信号电压在使用的合理范围内,正的注入电流是不可能产生的。 

对于 TT 类型 IO 来说, 超过 VDDA+0.3V 的信号电压都有可能产生 大于 0mA 的正向注入电流,这个电流流过芯片内部参数没有保证的模拟单元寄生二极管,从而可能导致电路损伤。 

因此对 TT IO 的电平 小于 VDDA+0.3V 的限制在任何场景下都必须满足。 

一个常被忽视的场景是系统上电时, 在 STM32 的供电系统还没有建立时, STM32 的IO 信号已经加在了 IO 管脚,例如某些电源或电机应用中对母线电压的检测,通常用分压电阻将母线电压分在 1V~2V 之间后连接到 STM32 的某一 ADC 采样输入 IO,通常这一分压电压到达 IO 比 VDD 建立更早。如果这一 IO 是 FT 类型的, 那么 IO 的信号电平始终能满足 小于 VDD+4V 的要求, 不管 VDD=0V 或 3V3。但是假如这一信号所接的是 TT 类型的 IO, 那么在 VDD=0 或低电平时, 母线电压分压后的电平将超过 VDDA+0.3V 的限制,带来芯片损坏的可能。 

为了避免 TT IO 损坏,在系统上电,下电或工作的整个过程中, 必须始终满足 TT IO 端口电平 小于 VDDA+0.3V 的要求. 当 TT IO 的信号电平可能超过 VDDA+0.3V 时, 钳位保护电路是必须的。

在上述母线电压检测的案例中, 如果这一检测管脚不得不使用 TT IO, 那么一个从信号到 VDDA (或同电位的其它电源)的钳位二极管将可以防止 VDD=0 等场景下信号电平超范围的可能。

04、小结

在 IO 管脚的使用中, 电平限制和电流包括注入电流的限制必须同时得到满足。 

TT IO 由于内部结构的原因,更容易产生正的注入电流而给 IO 带来损坏。注入电流的限制给 IO 端口的信号电平带来了更严格的要求。 

在使用中, 必须考虑信号电平的时序,确保在任何场景下 TT IO 的信号电平满足小于VDDA+0.3V 的要求, 必要时可以通过钳位电路来达到这一目的。

来源:STM32单片机

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