電平匹配問題，簡(jiǎn)單卻容易被忽視

導(dǎo)讀

在電路設(shè)計(jì)中，電平匹配是一個(gè)基本要求，但常常被忽視，可能導(dǎo)致設(shè)備故障和通信異常。本文我們將揭示如何避免因電平不匹配導(dǎo)致的設(shè)備故障，并提供實(shí)用的設(shè)計(jì)建議，確保您的電路設(shè)計(jì)既高效又穩(wěn)定。

電平匹配是進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)基本要求，但有時(shí)候卻很容易被忽略，特別是沒有仔細(xì)查看外設(shè)或者芯片規(guī)格書的時(shí)候，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)，帶來了一些問題。這類問題只要在設(shè)計(jì)的時(shí)候稍加檢查就能被發(fā)現(xiàn)，下面的案例1和案例2都是因?yàn)闆]有仔細(xì)看CAN隔離模塊的電氣特性引起的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，其中案例2問題比較隱蔽，還涉及到不同溫度下電氣特性的變化：

MR6450外接5V CAN收發(fā)器，工作異常；

使用CAN收發(fā)器出現(xiàn)偶發(fā)性工作異常。

電平匹配在新處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)越來越值得注意，現(xiàn)在很多處理器都分多個(gè)電平域，有的IO是3.3V，有的是1.8V。電平不匹配會(huì)工作不正常，還會(huì)帶來損壞IO的危險(xiǎn)，例如產(chǎn)生電流倒灌而損傷IO口。

I2C電平匹配也是一個(gè)經(jīng)常遇到的問題，下面我們將給出兩種不同方案供參考。

?TTL和CMOS電平參數(shù)定義

我們先看下TTL、CMOS邏輯電平參數(shù)定義，參考圖1。

圖1 TTL和CMOS邏輯電平定義

不同邏輯電平的兩個(gè)器件要想實(shí)現(xiàn)信號(hào)可靠傳輸?shù)那疤釛l件：

驅(qū)動(dòng)器輸出的VOH(MIN)必須大于或等于接收器輸入的VIH(MIN)。

驅(qū)動(dòng)器輸出的VOL(MAX)必須小于或等于接收器輸入的VIL(MAX)。

• 驅(qū)動(dòng)器輸出的電壓不得超過接收器輸入的I/O電壓容差。

?案例1：MR6450的UART腳接到了5V的收發(fā)器

某客戶使用我司MR6450-L核心板通過UART通訊方式外接RS485模塊，無法正常工作，與客戶溝通后了解到客戶使用的RS485模塊邏輯電平為5V。

MR6450核心板處理器為先楫HPM6450，其IO 3.3V邏輯電平定義如圖2所示。

圖2 MR6450IO3.3V邏輯電平定義

RS485模塊5V邏輯電平定義如圖3所示。

圖3 RS485模塊5V邏輯電平定義

由此可知HPM6450 TX信號(hào)輸出的高電平最大值為VCC-0.1V=3.2V , 而5V RS485模塊TXD輸入高電平的最小值為5*0.7=3.5V，很明顯不滿足驅(qū)動(dòng)器輸出的VOH必須大于或等于接收器輸入的VIH(MIN)這一必要條件，IO口邏輯電平不匹配，從而導(dǎo)致兩個(gè)模塊間無法通訊。

解決方案：選型3.3V 邏輯電平的RS485模塊，或MCU和模塊間增加電平轉(zhuǎn)換電路。

?案例2：CAN隔離模塊電平與處理器不匹配，工作時(shí)偶爾出現(xiàn)間歇性通訊故障

具體表現(xiàn)為客戶使用我司一款隔離CAN收發(fā)器模塊，常溫下偶爾出現(xiàn)個(gè)別產(chǎn)品間歇性通訊故障，將異常產(chǎn)品置于高溫環(huán)境下（65℃）進(jìn)行重復(fù)上電測(cè)試，可復(fù)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

常溫下，測(cè)試異常產(chǎn)品的以下信號(hào)：MCU供電、TXD、CAN差分、CAN模塊供電，正常時(shí)各點(diǎn)波形如圖4所示。

圖4 正常時(shí)MCU、CAN差分信號(hào)、CAN模塊供電電平波形

進(jìn)一步進(jìn)行高溫實(shí)驗(yàn)。將異常產(chǎn)品置于65℃的烤箱中，并進(jìn)行重復(fù)上電，測(cè)試以下信號(hào)：MCU供電、TXD、CAN差分、CAN模塊供電，異常時(shí)各點(diǎn)波形如圖5、圖6所示。

圖5 異常時(shí)MCU、CAN差分信號(hào)、CAN模塊供電電平波形

圖6 異常時(shí)CAN差分信號(hào)、CAN模塊供電電平波形

分析CAN總線出現(xiàn)異常位寬時(shí)的波形。當(dāng)TXD信號(hào)由低變高時(shí)CAN總線電平仍然維持顯性電平，在偶然間疊加線路板上noise后引起TXD電平略微變大。此時(shí)CAN總線電平概率性變?yōu)殡[性電平。

高溫環(huán)境下，因半導(dǎo)體材料的特性有可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的功耗有所增加。此案例呈現(xiàn)的現(xiàn)象為MCU供電電壓下降，CAN模塊供電電壓上升，進(jìn)一步影響到兩模塊的邏輯電平，從而使異?，F(xiàn)象變得更為明顯。實(shí)測(cè)CAN模塊不同電壓和溫度環(huán)境下，TXD高電平閾值的變化如圖7所示。

圖7 CAN模塊不同電壓和溫度環(huán)境下，TXD高電平閾值的變化問題根因：高溫65°C環(huán)境下，CAN模塊供電5.19V，對(duì)應(yīng)的TXD高電平閾值約為3.17V，MCU供電3.08V，對(duì)應(yīng)的IO輸出電壓最高約為3V，MCU輸出的VOH低于CAN模塊的輸入VIH，兩模塊間邏輯電平不匹配，導(dǎo)致通訊異常，因IO口電平邏輯的容錯(cuò)余量比較小，常溫下也許能工作，但在高溫環(huán)境等比較嚴(yán)格的環(huán)境下，兩模塊間的邏輯電平很容易出現(xiàn)不匹配問題。解決方案：將5V隔離模塊更換成3.3V隔離模塊。

?如果I2C電平不匹配該怎么處理？

1. 使用專用的I2C總線電平轉(zhuǎn)換芯片PCA9306

PCA9306是一款支持I2C總線和SMBus的雙向電平轉(zhuǎn)換器，支持從1.0V～3.6V（Vref(1)）到1.8V～5.5V（Vbias(ref)(2)）的電平轉(zhuǎn)換，PCA9306可工作在兩種工作頻率下：400KHz和100KHz。最大頻率取決于RC時(shí)間常數(shù)，一般支持>2MHz。

PCA9306標(biāo)準(zhǔn)使用電路如圖8所示。

圖8 PCA9306參考電路

設(shè)計(jì)時(shí)注意以下幾點(diǎn)：

兩邊的電壓VREF1和VREF2并不是取任意值且VREF1為低壓位端VREF2為高壓位端；

可以使用EN鍵來控制內(nèi)部開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷；

EN和VREF2管腳連接在一起；

上拉電阻的取值，取決于SW在導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的壓降，詳見手冊(cè)推薦值。

2. 使用MOS管搭建電平轉(zhuǎn)換電路

圖9所示電路是一個(gè)使用MOS管進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的示例。

圖9 MOS實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換

設(shè)計(jì)時(shí)注意以下幾點(diǎn)：

低壓位VDD_3V3連接MOS管源極，高壓位VDD_5V連接MOS管漏極；

如果換用其它電壓閾之間的轉(zhuǎn)換，如3.3V、2.5V、1.8V等，需要注意MOS管Vgs開啟導(dǎo)通電壓；