接口电路设计——电流倒灌和电平转换

时间：2022-02-22作者：无锡福盛环境工程有限公司浏览：331

引言

接口电路的设计在电单片机的应用中仍然非常重要，因为如果接口电路设计不当，芯片将被烧毁或烧毁IO嘴，轻会导致工作紊乱，工作异常。有时这个问题在设计和调试中根本找不到，芯片在批量生产或用户使用时被烧毁，或者IO嘴被烧掉了。如果我们在设计时能考虑到界面的一些问题，我们就可以减少，提高产品的可靠性。下面我们将描述电流回流和电平匹配的问题。

电流倒灌

一、概念

倒灌是电流进入IC在内部，电流总是流入电位较低的地方。例如，电压源通常是输出电流，但如果另一个电源同时存在，电位**电源，电流将流入电源，称为倒流。

二、危害

1. 电流太大会使IO钳位二极管快速过载并损坏。

2. 会使单片机复位失败。

3. 会使可编程器件程序紊乱。

4.锁锁效应会出现。

三、原因

   STM32的IO口框图

当两台单片机串口通信时，如果一台单片机断电，另一台单片机继续供电并正常运行。那么没有断电的单片机IO口给断电的单片机IO口供电，并通过上拉保护二极管向断电的单片机供电。或者，如果两台单片机的电压不同，电流将从高电源流向低电源。

四、解决方案

串联限流电阻

如图2所示，添加一个小电阻可以防止二极管过流损坏D1.阻抗匹配也可以进行，因为信号源的阻抗非常低，与信号线不匹配。串联电阻后，可以改善匹配，减少反射，避免振荡。它还可以降低信号边缘的陡峭程度，从而降低高频噪声和过度冲洗。但不能解决灌流问题Vcc建立电压。一般情况下会选择串电阻，取值范围从几欧到1K欧，根据实际情况，小编我喜欢拿330欧。

串联反向二极管

在信号线上加二极管D3及上拉电阻R1，D用于阻断灌流通路，R解决前级输出高电的问题G1的输入保持高电平。该方法可以解决二极管灌流损伤D1的问题可以解决灌流问题Vcc建立电压。缺点只适用于不快的电路。如果单片机IO口相对脆弱，或两侧电压不同，需要低成本电平转换，但在一个方向上，当速率相对较低（如串口）时，可以选择该方案。二极管好选择小特基二极管

电平转换

处理器将在电路设计过程中遇到MCU的I/O电平和模块I/O电平不同的问题需要电平转换，以确保两者之间的正常通信。如果两侧的电平不同，则直接连接通信，如TTL上一节电流会倒灌。

电平转换电路的设计需要几个问题：

（1）VOH>VIH；VOL<vil

各电平的电压范围

（2）对于多电源系统，某些器件不允许输入电平**过电源电压，针对有类似要求的器件，电路上应适当做些保护。

(3)电平转换电路会影响通信速度，使用时应注意通信速度的要求。

1.NPN三极管电平转换

三极管电平转换电路

这种电平转换由两级三极管电路组成。三极管只能单向转换，部件较多。

2.NMOS电平转换

NMOS电平转换电路

该电路可实现双向传输，使用条件是VCC2>VCC1 0.7V，这个电路也是我常用的电路。工作流程如下:

Port1向Port2传输

（1）Port1高电平时，NMOS的Ugs=0V截止，Port2端的电压为VCC2高电平。

（2）Port1低电平时，NMOS的Ugs=3.3V导通，Port2端的电压为Port一端电压低电平。

Port2向Port1传输

（1）Port2高电平时，NMOS的Ugs=0V截止，Port1端的电压为VCC1--高电平。

（2）Port2低电平时，NMOS体二极管导通使Vs的电压为0.7V左右，那么Ugs=VCC1-0.7V，只要所选开启电压小于Ugs可以让电压MOS管导通，Port1端的电压为Port2端的电压--低电平。

3. 用**电平芯片转换电平

使用**电平转换芯片，为输入和输出信号提供不同的电压，由芯片内部完成转换，如PCA9306DCTR等电平转换芯片。

**电平转换芯片

优势：

1) 驱动能力强:一般采用**芯片输出CMOS工艺，输出驱动10mA不在话下。

2) 漏电流几乎为0：内部是一些列的放大、比较器，输入阻抗非常高，一般都达到数百K。漏电流基本都是nA级别的。

3) 路数较多：**芯片针对不同的应用，从2路到数十路都有，十分适合对面积要求高的场合。

4) 速率高:由于集成度高，工艺高，**芯片的速率从数百个K到数百M可以做所有的频率。

劣势：

1) 成本:**芯片集很多优点于一体，即成本是大的劣势，一个普通的几百块K4通道电平转换芯片的速率至少为1元，如果使用三极管，成本不到20美分。

**电平转换芯片价格

4. 用电阻分压转换电平

   电阻分压电平转换电路

优势：

1) *:*是大的优势，两个电阻不到一分钱；

2) 实现:电阻采购，占地面积小。

劣势：

1) 速度:分压法用于降低功耗K电阻等级以上，加上电路和设备的分布和寄生电容，速率难以提高，一般只能用于100K内部频率。

2) 驱动能力:由于使用了大电阻，严格控制了驱动能力，不适合需要高驱动能力的场合，如LED灯等

3) 漏电:漏电是该方案大的缺点。由于电阻直接连接，左右两端的电压会流动，相互影响。RS该方案采用232接口，上电瞬间外设为主芯片提供2.8V电平，轻则影响时间，导致主芯片无法启动，重则导致主芯片锁定效应，烧毁芯片。

5. 电阻限流转换电平

电阻限流电平转换电路

优势：

1) *:*是大的优势，只需要一个电阻就可以解决。

2) 实现。

劣势：

1) 电阻值不易选择，需要熟悉芯片内部。

6. 使用二极管转换电平

   二极管电平转换电路

优势：

1) 漏电流小:由于二极管漏电流很小（uA等级)，可单向防止电源倒灌，防止电流倒灌。

2) 实现。

劣：

1) 电平误差大:主要原因是二极管正压降大，**过芯片的工作电压范围。

2) 单向防倒灌:只能单向防倒灌，不能双向防倒灌。

3) 速度和驱动能力不理想:由于电阻限流，驱动速度和能力不理想，只能应用于100K内部频率。


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