接口電路設計——電流倒灌和電平轉換

引言

接口電路的設計在電單片機應用場合中還是很重要的，因為如果接口電路沒有設計好，嚴重就會燒晶片，或者燒晶片IO口，輕者就會導致工作紊亂，工作不正常。有時候這種問題自己在設計調試的時候根本發現不了，在批量生產或者用戶在使用的時候才出現晶片被燒掉，或者IO口被燒掉。如果我們在設計的時候能考慮到接口的一些問題就可以減少，提高產品的可靠性。下面我們就從電流倒灌問題和電平匹配問題進行敘述。

電流倒灌

一、概念

倒灌就是電流流進IC內部，電流總是流入電勢低的地方。比如說電壓源，一般都是輸出電流，但是如果有另一個電源同時存在，並且電勢高於這個電源，電流就會流入這個電源，稱為倒灌。

二、危害

1. 電流太大會將使IO口上的鉗位二極體迅速過載並使其損壞。

2. 會使單片機復位不成功。

3. 會使可編程器件程序紊亂。

4.會出現閂鎖效應。

三、原因

STM32的IO口框圖

當兩個單片機進行串口通信，如果其中一個單片機斷電，另一個單片機繼續供電，正常運行。那麼沒有斷電的單片機的IO口給斷電的單片機的IO口供電，並同通過上拉保護二極體向斷電的單片機進行供電。或者說兩個單片機供電電壓不一樣，電流就會從供電高的一方流向供電低的一方。

四、解決辦法

串聯限流電阻

如圖2加一個小電阻，可以防止過流損壞二極體D1。還可以進行阻抗匹配，因為信號源的阻抗很低，跟信號線之間阻抗不匹配，串上一個電阻後，可改善匹配情況，以減少反射，避免振蕩等。也可以減少信號邊沿的陡峭程度，從而減少高頻噪聲以及過衝等。但不能解決灌流在Vcc上建立電壓。一般情況下就會選擇串電阻，取值範圍是幾歐到1K歐，根據實際情況而定，小編我喜歡取330歐。

串聯反向二極體

在信號線上加二極體D3及上拉電阻R1，D3用於阻斷灌流通路，R1解決前級輸出高電平時使G1的輸入保持高電平。此方法既可解決灌流損壞二極體D1的問題，又可解決灌流在Vcc上建立電壓。缺點只適用於速率不快的電路上。如果單片機IO口比較脆弱，或者兩邊電壓不也一樣需要低成本進行電平轉換，且是但一方向，速率比較低（比如串口）的時候就可以選擇該方案。二極體要選擇肖特基二極體才比較好

電平轉換

在電路設計過程中，會碰到處理器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，需要進行電平轉換。如果兩邊的電平不一樣就直接連接進行通信，像TTL電平就會出現上一節將的那樣電流倒灌現象。

設計電平轉換電路需要幾個問題：

（1）VOH>VIH；VOL<vil

各種電平的電壓範圍

（2）對於多電源系統，某些器件不允許輸入電平超過電源電壓，針對有類似要求的器件，電路上應適當做些保護。

（3）電平轉換電路會影響通信速度，所以使用時應當注意通信速率上的要求。

1.NPN三極體電平轉換

三極體電平轉換電路

這個電平轉換就是兩級三極體電路組成。三極體只能單向進行轉換，而且元器件比較多。

2.NMOS電平轉換

NMOS電平轉換電路

該電路可實現雙向傳輸，使用條件是VCC2>VCC1+0.7V，這個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，NMOS的Ugs=0V截止，Port2端的電壓為VCC2高電平。

（2）Port1低電平時，NMOS的Ugs=3.3V導通，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，NMOS的Ugs=0V截止，Port1端的電壓為VCC1--高電平。

（2）Port2低電平時，NMOS的體二極體導通，使得Vs的電壓為0.7V左右，那麼Ugs=VCC1-0.7V，只要選擇的開啟電壓小於Ugs電壓就可以讓MOS管導通，Port1端的電壓為Port2端的電壓--低電平。

3. 使用專用電平晶片轉換電平

使用專用的電平轉換晶片，分別給輸入和輸出信號提供不同的電壓，轉換由晶片內部完成，例如PCA9306DCTR等電平轉換晶片。專用晶片是最可靠的電平轉換方案。

專用電平轉換晶片

優勢：

1) 驅動能力強：專用晶片的輸出一般都使用了CMOS工藝，輸出驅動10mA不在話下。

2) 漏電流幾乎為0：內部是一些列的放大、比較器，輸入阻抗非常高，一般都達到數百K。漏電流基本都是nA級別的。

3) 路數較多：專用晶片針對不同的應用，從2路到數十路都有，十分適合對面積要求高的場合。

4) 速率高：專用晶片由於集成度較高，工藝較高，，速率從數百K到數百M的頻率都可以做。

劣勢：

1) 成本：專用晶片集眾多優勢於一身，就是成本是最大的劣勢，一個普通的數百K速率的4通道電平轉換晶片，價格至少要1元人民幣以上，如果使用三極體做，成本2毛錢都不到。

專用電平轉換晶片價格

4. 使用電阻分壓轉換電平

電阻分壓電平轉換電路

優勢：

1) 便宜：便宜是最大的優點，2個電阻一分錢不到；

2) 容易實現：電阻採購容易，佔用面積小。

劣勢：

1) 速度：分壓法為了降低功耗，使用K級別以上的電阻，加上電路和器件的分布和寄生電容，速率很難上去，一般只能應用於100K以內的頻率。

2) 驅動能力：由於使用了大阻值的電阻，驅動能力被嚴格控制，並不適合需要高驅動能力的場合，例如LED燈等

3) 漏電：漏電是該方案最大的缺點，由於通過電阻直連，左右兩端的電壓會流動，從而互相影響。例如，RS232接口採用該方案，上電瞬間外設就給主晶片提供2.8V的電平，輕則影響時序導致主晶片無法啟動，重則導致主晶片閂鎖效應，燒毀晶片。

5. 使用電阻限流轉換電平

電阻限流電平轉換電路

優勢：

1) 便宜：便宜是最大的優點，只需要一個電阻就解決。

2) 容易實現。

劣勢：

1) 電阻選值不是很容易選擇，需要對晶片內部很熟悉。

6. 使用二極體轉換電平

二極體電平轉換電路

優勢：

1) 漏電流小：由於二極體的漏電流非常小（uA級），可以單向防止電源倒灌，防止電流倒灌。

2) 容易實現。

劣：

1) 電平誤差大：主要是二極體的正向壓降較大，容易超出晶片的工作電壓範圍。

2) 單向防倒灌：只能單向防止倒灌，不能雙向防止倒灌。

3) 速度和驅動能力不理想：由於電阻限流，驅動速度和能力均不理想，只能應用在100K以內的頻率。