接口電路設(shè)計(jì)的電流倒灌和電平轉(zhuǎn)換問題

接口電路的設(shè)計(jì)在電單片機(jī)應(yīng)用場合中還是很重要的，因?yàn)槿绻涌陔娐窙]有設(shè)計(jì)好，嚴(yán)重就會(huì)燒芯片，或者燒芯片IO口，輕者就會(huì)導(dǎo)致工作紊亂，工作不正常。 ????有時(shí)候這種問題自己在設(shè)計(jì)調(diào)試的時(shí)候根本發(fā)現(xiàn)不了，在批量生產(chǎn)或者用戶在使用的時(shí)候才出現(xiàn)芯片被燒掉，或者IO口被燒掉。如果我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候能考慮到接口的一些問題就可以減少，提高產(chǎn)品的可靠性。 ????

下面我們就從電流倒灌問題和電平匹配問題進(jìn)行敘述。

電流倒灌

1 概念 ????

倒灌就是電流流進(jìn)IC內(nèi)部，電流總是流入電勢(shì)低的地方。比如說電壓源，一般都是輸出電流，但是如果有另一個(gè)電源同時(shí)存在，并且電勢(shì)高于這個(gè)電源，電流就會(huì)流入這個(gè)電源，稱為倒灌。

2 危害 ???

1. 電流太大會(huì)將使IO口上的鉗位二極管迅速過載并使其損壞。 ???

2. 會(huì)使單片機(jī)復(fù)位不成功。 ???

3. 會(huì)使可編程器件程序紊亂。 ???

4.會(huì)出現(xiàn)閂鎖效應(yīng)。

3 原因

????如上圖，STM32的IO口框圖。 ????當(dāng)兩個(gè)單片機(jī)進(jìn)行串口通信，如果其中一個(gè)單片機(jī)斷電，另一個(gè)單片機(jī)繼續(xù)供電，正常運(yùn)行。那么沒有斷電的單片機(jī)的IO口給斷電的單片機(jī)的IO口供電，并同通過上拉保護(hù)二極管向斷電的單片機(jī)進(jìn)行供電?；蛘哒f兩個(gè)單片機(jī)供電電壓不一樣，電流就會(huì)從供電高的一方流向供電低的一方。

4 解決辦法

????如上圖，加一個(gè)小電阻，可以防止過流損壞二極管D1。還可以進(jìn)行阻抗匹配，因?yàn)?a target="_blank">信號(hào)源的阻抗很低，跟信號(hào)線之間阻抗不匹配，串上一個(gè)電阻后，可改善匹配情況，以減少反射，避免振蕩等。也可以減少信號(hào)邊沿的陡峭程度，從而減少高頻噪聲以及過沖等。但不能解決灌流在Vcc上建立電壓。一般情況下就會(huì)選擇串電阻，取值范圍是幾歐到1K歐，根據(jù)實(shí)際情況而定，小編我喜歡取330歐。

????如上圖，在信號(hào)線上加二極管D3及上拉電阻R1，D3用于阻斷灌流通路，R1解決前級(jí)輸出高電平時(shí)使G1的輸入保持高電平。 ????此方法既可解決灌流損壞二極管D1的問題，又可解決灌流在Vcc上建立電壓。缺點(diǎn)只適用于速率不快的電路上。如果單片機(jī)IO口比較脆弱，或者兩邊電壓不也一樣需要低成本進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，且是但一方向，速率比較低（比如串口）的時(shí)候就可以選擇該方案。二極管要選擇肖特基二極管才比較好

電平轉(zhuǎn)換 ???

?在電路設(shè)計(jì)過程中，會(huì)碰到處理器MCU的I/O電平與模塊的I/O電平不相同的問題，為了保證兩者的正常通信，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。如果兩邊的電平不一樣就直接連接進(jìn)行通信，像TTL電平就會(huì)出現(xiàn)上一節(jié)將的那樣電流倒灌現(xiàn)象。 ????設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路需要幾個(gè)問題： ????（1）VOH>VIH；VOL

????各種電平的電壓范圍，如上圖。 ????（2）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)有類似要求的器件，電路上應(yīng)適當(dāng)做些保護(hù)。 ????（3）電平轉(zhuǎn)換電路會(huì)影響通信速度，所以使用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意通信速率上的要求。

1 NPN三極管電平轉(zhuǎn)換

???? ????這個(gè)電平轉(zhuǎn)換就是兩級(jí)三極管電路組成。三極管只能單向進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而且元器件比較多。

2 NMOS電平轉(zhuǎn)換

????該電路可實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，使用條件是VCC2>VCC1+0.7V，這個(gè)電路也是小編我常用的電路。 ????其工作過程是： ??? Port1向Port2傳輸： ????（1）Port1高電平時(shí)，NMOS的Ugs=0V截止，Port2端的電壓為VCC2高電平。 ????（2）Port1低電平時(shí)，NMOS的Ugs=3.3V導(dǎo)通，Port2端的電壓為Port1端的電壓低電平。 ??? Port2向Port1傳輸： ????（1）Port2高電平時(shí)，NMOS的Ugs=0V截止，Port1端的電壓為VCC1--高電平。 ????（2）Port2低電平時(shí)，NMOS的體二極管導(dǎo)通，使得Vs的電壓為0.7V左右，那么Ugs=VCC1-0.7V，只要選擇的開啟電壓小于Ugs電壓就可以讓MOS管導(dǎo)通，Port1端的電壓為Port2端的電壓--低電平。

3 使用專用電平芯片轉(zhuǎn)換電平

????使用專用的電平轉(zhuǎn)換芯片，分別給輸入和輸出信號(hào)提供不同的電壓，轉(zhuǎn)換由芯片內(nèi)部完成，例如PCA9306DCTR等電平轉(zhuǎn)換芯片。專用芯片是最可靠的電平轉(zhuǎn)換方案。

????優(yōu)勢(shì)： ??? 1) 驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)：專用芯片的輸出一般都使用了CMOS工藝，輸出驅(qū)動(dòng)10mA不在話下。 ??? 2) 漏電流幾乎為0：內(nèi)部是一些列的放大、比較器，輸入阻抗非常高，一般都達(dá)到數(shù)百K。漏電流基本都是nA級(jí)別的。 ??? 3) 路數(shù)較多：專用芯片針對(duì)不同的應(yīng)用，從2路到數(shù)十路都有，十分適合對(duì)面積要求高的場合。 ??? 4) 速率高：專用芯片由于集成度較高，工藝較高，，速率從數(shù)百K到數(shù)百M(fèi)的頻率都可以做。 ????劣勢(shì)： ??? 1) 成本：專用芯片集眾多優(yōu)勢(shì)于一身，就是成本是最大的劣勢(shì)，一個(gè)普通的數(shù)百K速率的4通道電平轉(zhuǎn)換芯片，價(jià)格至少要1元人民幣以上，如果使用三極管做，成本2毛錢都不到。

4 使用電阻分壓轉(zhuǎn)換電平

????優(yōu)勢(shì)： ??? 1) 便宜：便宜是最大的優(yōu)點(diǎn)，2個(gè)電阻一分錢不到； ??? 2) 容易實(shí)現(xiàn)：電阻采購容易，占用面積小。 ????劣勢(shì)： ??? 1) 速度：分壓法為了降低功耗，使用K級(jí)別以上的電阻，加上電路和器件的分布和寄生電容，速率很難上去，一般只能應(yīng)用于100K以內(nèi)的頻率。 ??? 2) 驅(qū)動(dòng)能力：由于使用了大阻值的電阻，驅(qū)動(dòng)能力被嚴(yán)格控制，并不適合需要高驅(qū)動(dòng)能力的場合，例如LED燈等 ??? 3) 漏電：漏電是該方案最大的缺點(diǎn)，由于通過電阻直連，左右兩端的電壓會(huì)流動(dòng)，從而互相影響。例如，RS232接口采用該方案，上電瞬間外設(shè)就給主芯片提供2.8V的電平，輕則影響時(shí)序?qū)е轮餍酒瑹o法啟動(dòng)，重則導(dǎo)致主芯片閂鎖效應(yīng)，燒毀芯片。

5 使用電阻限流轉(zhuǎn)換電平

????優(yōu)勢(shì)： ??? 1) 便宜：便宜是最大的優(yōu)點(diǎn)，只需要一個(gè)電阻就解決。 ??? 2) 容易實(shí)現(xiàn)。 ????劣勢(shì)： ??? 1) 電阻選值不是很容易選擇，需要對(duì)芯片內(nèi)部很熟悉。 6 使用二極管轉(zhuǎn)換電平

????優(yōu)勢(shì)： ??? 1) 漏電流?。河捎诙O管的漏電流非常小（uA級(jí)），可以單向防止電源倒灌，防止電流倒灌。 ??? 2) 容易實(shí)現(xiàn)。 ????劣勢(shì)： ??? 1) 電平誤差大：主要是二極管的正向壓降較大，容易超出芯片的工作電壓范圍。 ??? 2) 單向防倒灌：只能單向防止倒灌，不能雙向防止倒灌。 ??? 3) 速度和驅(qū)動(dòng)能力不理想：由于電阻限流，驅(qū)動(dòng)速度和能力均不理想，只能應(yīng)用在100K以內(nèi)的頻率。

編輯：黃飛

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