嵌入式筆記 | 非常容易被忽略的電流倒灌

導(dǎo)讀

在嵌入式開發(fā)工程中，電流倒灌是一個(gè)容易被忽視但可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果的問題。本章節(jié)將深入探討電流倒灌的成因、影響以及如何在實(shí)際工程中識(shí)別和預(yù)防這一問題。

電流倒灌問題在5V電平的單片機(jī)時(shí)代幾乎不會(huì)發(fā)生，主要是因?yàn)?V單片的IO耐壓值高，單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)IO保護(hù)設(shè)計(jì)很好。到了3.3V單片機(jī)時(shí)代，這類問題有一定的偶發(fā)性，但還是很少，盡管單片機(jī)IO口耐壓值有所降低，但內(nèi)部保護(hù)設(shè)計(jì)依然很到位，同時(shí)單片機(jī)上電后到程序運(yùn)行的時(shí)間很短，IO口正確初始化后，能很好的與外設(shè)電平進(jìn)行匹配，也能避免電流倒灌。而到了現(xiàn)在的MPU，處理器規(guī)模都比較大，IO口很多，系統(tǒng)電源通常有好幾路不同的電壓，而且還有嚴(yán)格的上電時(shí)序要求，再加上處理器的多級(jí)啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間較長，從上電到完成IO口初始化這段時(shí)間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比以前的單片機(jī)長，這段時(shí)間如果不謹(jǐn)慎處理電平，就有可能產(chǎn)生電流倒灌。

電流倒灌是一個(gè)非常隱蔽的問題，屬于“慢性病”，在產(chǎn)品使用中很難被立即發(fā)現(xiàn)，只有在應(yīng)用現(xiàn)場長時(shí)間運(yùn)行后才有可能出現(xiàn)問題，出現(xiàn)的問題非常多樣化，表現(xiàn)各異，就算給出解決辦法，效果也不是立竿見影，而是需要通過長時(shí)間運(yùn)行才能驗(yàn)證改善方案的有效性。

如果一個(gè)產(chǎn)品在現(xiàn)場運(yùn)行較長一段時(shí)間后出現(xiàn)了故障，而用同一型號(hào)產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室卻無法復(fù)現(xiàn)，在基本定位為硬件問題的情況下，可以考慮排查電路設(shè)計(jì)上有無存在電流倒灌。結(jié)合多年來的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，如下故障/問題可以往電流倒灌方面進(jìn)行排查：

產(chǎn)品在現(xiàn)場運(yùn)行幾個(gè)月后出現(xiàn)偶發(fā)性重啟或者宕機(jī)，更換核心板后故障消失；

產(chǎn)品在現(xiàn)場運(yùn)行幾個(gè)月后，網(wǎng)絡(luò)偶發(fā)性異常，或者IO口控制設(shè)備異常，更換核心板后恢復(fù)正常；

產(chǎn)品在現(xiàn)場運(yùn)行幾個(gè)月后，系統(tǒng)開不了機(jī)，更換核心板后正常，故障板在實(shí)驗(yàn)室更換底板后依然無法啟動(dòng)系統(tǒng)。

電流倒灌卻又是一個(gè)很常見的問題，在網(wǎng)絡(luò)上以“IO電流倒灌”為關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索，可以找到非常多的相關(guān)案例和解決辦法的文章，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)上的“IO電流倒灌”搜索結(jié)果

?電流倒灌和IO電流倒灌

1. 電流倒灌

電流倒灌是指電流方向與常規(guī)流動(dòng)方向相反的現(xiàn)象。在電路中，電流的方向通常是從電源的正極流出，經(jīng)由負(fù)載流入電源的負(fù)極。然而，在某些情況下，如電源電壓過高、電路保護(hù)措施不足或電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤等，電流可能會(huì)反向流動(dòng)，從電源的負(fù)極流回正極，這種現(xiàn)象就稱為電流倒灌。

2. IO電流倒灌

IO電流倒灌是指在電子設(shè)備中，電流從電源線或信號(hào)線流回芯片或電路的現(xiàn)象。這通常是由于電源或信號(hào)線的配置不當(dāng)，或者是因?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致的。

引腳電平?jīng)_突也有可能引起IO電流倒灌。例如某處理器引腳默認(rèn)輸出低電平，而所連接外設(shè)的引腳默認(rèn)輸出了高電平，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生從外設(shè)到處理器的IO灌電流。

3. 電流倒灌的后果

電流倒灌可能產(chǎn)生的后果，在癥狀上具有不確定性、多樣性，以及問題的隱蔽性，經(jīng)常讓人捉摸不透。輕則可能導(dǎo)致信號(hào)失真或不穩(wěn)定，從而影響設(shè)備的性能和穩(wěn)定性，重則某個(gè)或者多個(gè)IO工作不正常，或者IO引腳損壞，引起相應(yīng)外設(shè)控制異常，也有引起某些通信接口異常，再重一點(diǎn)就系統(tǒng)死機(jī)，出現(xiàn)莫名其妙的故障，更嚴(yán)重的則燒壞CPU，只能走返修途徑或者報(bào)廢。