硬件設(shè)計(jì)必讀：電流倒灌解決方案

導(dǎo)讀

通過案例分析，我們將探討如何通過電路設(shè)計(jì)規(guī)避潛在的電流倒灌風(fēng)險(xiǎn)。本文旨在為您提供實(shí)用的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，以提升產(chǎn)品的可靠性和性能。

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)與維護(hù)中，IO電流倒灌是一個(gè)需要特別關(guān)注的問題。為了防止這一現(xiàn)象的發(fā)生，我們可以采取以下措施：

1. 在電源和信號(hào)線之間添加適當(dāng)?shù)?a href="http://wenjunhu.com/tags/保護(hù)電路/" target="_blank">保護(hù)電路或保護(hù)器，以確保電流不會(huì)流向錯(cuò)誤的方向。
2. 正確地設(shè)計(jì)和配置電路，也可以減少IO電流倒灌的風(fēng)險(xiǎn)。
3. 在電子設(shè)備中，使用適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電阻、電容、二極管等元件來配置電路，以防止電流倒灌。

?案例分析

案例1：底板外設(shè)先于核心板上電，IO電流倒灌到SOC芯片內(nèi)部解決這樣的電流倒灌，需要注意研究核心板電源供電電路的資料。以ZLG的M3568核心板為例，核心板提供了一個(gè)PWR_OK引腳，核心板上電完成后，該引腳輸出高電平。用PWR_OK引腳來控制使能二級(jí)電源，則可以規(guī)避IO電流倒灌問題。

圖1為電源系統(tǒng)二級(jí)電源，使用SOC配套的PMU輸出的PWR_OK來使能二級(jí)電源，符合上電時(shí)序要求。M3568核心板完成啟動(dòng)配置時(shí)間大概為200ms，PWR_OK也大概是在5V供電后的200ms會(huì)起來，可以保證核心板上電完畢后底板其他電源再上電。

圖1 二級(jí)電源

案例2：底板控制電路或芯片通過外設(shè)上拉電路拉高核心板管腳，上拉電源域比SOC對(duì)應(yīng)的GPIO的供電電源域先上電，產(chǎn)生IO電流倒灌

如圖2所示，SOC的GPIO通過上拉電阻上拉到底板電源域，如果底板電源域比SOC對(duì)應(yīng)的GPIO的供電電源域先上電，則會(huì)發(fā)生倒灌，長期可能引起SOC工作異常，甚至可能進(jìn)一步導(dǎo)致底板電源無法關(guān)閉。所以在需要使用按鍵控制設(shè)備開關(guān)機(jī)時(shí)，必須嚴(yán)格控制底板電源的關(guān)斷控制。

圖2 底板電源和SOC

解決這樣的問題，可參考Coral3568核心板的底板電源電路設(shè)計(jì)。該核心板帶PWRON和PWROK兩個(gè)引腳，可支持開關(guān)機(jī)按鍵電源設(shè)計(jì)（短按開機(jī)，長按關(guān)機(jī)）。電路如圖3所示，將PWRON信號(hào)和PWROK信號(hào)通過二極管相連，PWROK信號(hào)連正極，PWRON信號(hào)連負(fù)極，這樣按鍵按下時(shí)PWRON信號(hào)可以拉低PWROK，關(guān)閉底板電源。另外通過該按鍵關(guān)機(jī)后，核心板5V需保持上電狀態(tài)，如果需要關(guān)閉底板的5V外設(shè)電源，則需將上述兩者分為兩個(gè)電源域。

圖3 帶開關(guān)機(jī)電源設(shè)計(jì)

案例3：接口電路設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生IO電流倒灌

在電路設(shè)計(jì)中，會(huì)碰到處理器IO電平與模塊IO的電平不相同的問題。為保證正常通信，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。若直接相連，像TTL電平就會(huì)出現(xiàn)電流倒灌現(xiàn)象。電平轉(zhuǎn)換要求：

VOH ≥ VIH，VOL ≤ VIL；

對(duì)于多電源系統(tǒng)，某些器件不允許輸入電平超過電源電壓，針對(duì)有類似要求的芯片，注意電路做適當(dāng)保護(hù)；

電平轉(zhuǎn)換影響通信速度。

HDMI 的I2C采用的是5V電平標(biāo)準(zhǔn)，而通常板載的I2C是3.3V或1.8V電平標(biāo)準(zhǔn)。M3568評(píng)估底板HDMI設(shè)計(jì)NMOS電平轉(zhuǎn)換，如圖4所示。

圖4 M3568評(píng)估底板HDMI設(shè)計(jì)NMOS電平轉(zhuǎn)換電路

左側(cè)板載輸入高電平，UGS=0V，NMOS管截止，右側(cè)輸出為5V高電平；

左側(cè)板載輸入低電平，UGS=3.3V，NMOS管導(dǎo)通，右側(cè)輸出為板載低電平；

右側(cè)接口輸入高電平，UGS=0V，NMOS管截止，左側(cè)輸出為3.3V高電平；

右側(cè)接口輸入低電平，NMOS體二極管導(dǎo)通，UGS=2.6V（體二極管有壓降），只要NMOS管開啟電壓小于UGS，NMOS管導(dǎo)通，左側(cè)輸出為接口低電平。

此外，HDMI接口供電電源為底板5V電源域，在如圖5所示的電路中，加肖特基二極管D15是為了防止在底板掉電后出現(xiàn)電流倒灌。

圖5 HDMI5V電源防倒灌處理

?總結(jié)

采用致遠(yuǎn)電子的核心板開發(fā)產(chǎn)品，也需要考慮底板的上電時(shí)序，但無需像核心板內(nèi)處理器上電時(shí)序那么復(fù)雜，只要規(guī)避發(fā)生電流倒灌即可。針對(duì)硬件系統(tǒng)中可能存在容易發(fā)生電流倒灌問題，在進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，需遵循以下原則：

• 若常供電部分比PMU&SOC優(yōu)先上電或PMU&SOC掉電后常供電部分仍有供電。為避免發(fā)生倒灌，此時(shí)PMU&SOC相連接的通訊信號(hào)或控制信號(hào)都需做電平隔離處理。
• 任何常供電電源不可通過上拉電阻連接到PMU&SOC。
• SOC各組GPIO上拉電阻需選擇上拉至其對(duì)應(yīng)供電電源域。
• 外設(shè)芯片供電電源由MCU或SOC控制上電時(shí)序。
• 外設(shè)芯片不能設(shè)計(jì)成硬件上電使能或復(fù)位，避免SOC漏電至外設(shè)芯片。

3568系列核心板

四核64位CortexA55架構(gòu)

主頻最高達(dá)2GHz

接口資源豐富

參考價(jià)格：629元起