接口电路设计——电流倒灌和电平转换

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轻者会导致工作紊乱，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口被烧掉。如果能考虑到接口的一些问题，就能减少，提高产品的可靠性。下面我们就从电流倒灌问题和电平匹配问题进行叙述。

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，电位高于电源，电流将流入电源，称为倒流。

二、危害

1. 会议会使电流过大IO钳位二极管快速过载并损坏。

2. 会使单片机复位不成功。

3. 会使可编程器件程序紊乱。

4.锁定效果会出现。

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，因为信号源的阻抗很低，不匹配信号线。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度，从而降低高频噪声和过冲。但灌流不能解决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

在信号线上添加二极管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G输入保持高电平。此方法既可解决灌流损坏二极管D1的问题可以解决灌流问题Vcc建立电压。缺点只适用于速度不快的电路。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。选择肖特基二极管比较好

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

各电平的电压范围

(2)对于多电源系统，有些设备不允许输入电平超过电源电压，对于有类似要求的设备，应适当保护电路。

(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端电压-低电平。

3. 使用专用电平芯片转换电平

使用专用电平转换芯片，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。

专用电平转换芯片

优势：

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

2) 泄漏电流几乎为0：内部有一些列放大，比较器，输入阻抗很高，一般达到数百K。漏电流基本都是nA级别的。

3) 路数较多专用芯片适用于不同的应用，从2路到数十路，非常适合面积要求高的场合。

4) 高速：由于集成度高，工艺高，专用芯片的速率从几百K到几百M不等。

劣势：

1) 成本：专用芯片集成了许多优点，即成本是最大的缺点。一个普通的4通道电平转换芯片的价格至少超过1元。如果使用三极管，成本不到20美分。