接口電路設(shè)計(jì)——電流倒灌和電平轉(zhuǎn)換

時(shí)間：2022-02-22作者：無錫福盛環(huán)境工程有限公司瀏覽：330

引言

接口電路的設(shè)計(jì)在電單片機(jī)的應(yīng)用中仍然非常重要，因?yàn)槿绻涌陔娐吩O(shè)計(jì)不當(dāng)，芯片將被燒毀或燒毀IO嘴，輕會(huì)導(dǎo)致工作紊亂，工作異常。有時(shí)這個(gè)問題在設(shè)計(jì)和調(diào)試中根本找不到，芯片在批量生產(chǎn)或用戶使用時(shí)被燒毀，或者IO嘴被燒掉了。如果我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)能考慮到界面的一些問題，我們就可以減少，提高產(chǎn)品的可靠性。下面我們將描述電流回流和電平匹配的問題。

電流倒灌

一、概念

倒灌是電流進(jìn)入IC在內(nèi)部，電流總是流入電位較低的地方。例如，電壓源通常是輸出電流，但如果另一個(gè)電源同時(shí)存在，電位**電源，電流將流入電源，稱為倒流。

二、危害

1. 電流太大會(huì)使IO鉗位二極管快速過載并損壞。

2. 會(huì)使單片機(jī)復(fù)位失敗。

3. 會(huì)使可編程器件程序紊亂。

4.鎖鎖效應(yīng)會(huì)出現(xiàn)。

三、原因

   STM32的IO口框圖

當(dāng)兩臺(tái)單片機(jī)串口通信時(shí)，如果一臺(tái)單片機(jī)斷電，另一臺(tái)單片機(jī)繼續(xù)供電并正常運(yùn)行。那么沒有斷電的單片機(jī)IO口給斷電的單片機(jī)IO口供電，并通過上拉保護(hù)二極管向斷電的單片機(jī)供電?；蛘?，如果兩臺(tái)單片機(jī)的電壓不同，電流將從高電源流向低電源。

四、解決方案

串聯(lián)限流電阻

如圖2所示，添加一個(gè)小電阻可以防止二極管過流損壞D1.阻抗匹配也可以進(jìn)行，因?yàn)樾盘?hào)源的阻抗非常低，與信號(hào)線不匹配。串聯(lián)電阻后，可以改善匹配，減少反射，避免振蕩。它還可以降低信號(hào)邊緣的陡峭程度，從而降低高頻噪聲和過度沖洗。但不能解決灌流問題Vcc建立電壓。一般情況下會(huì)選擇串電阻，取值范圍從幾歐到1K歐，根據(jù)實(shí)際情況，小編我喜歡拿330歐。

串聯(lián)反向二極管

在信號(hào)線上加二極管D3及上拉電阻R1，D用于阻斷灌流通路，R解決前級(jí)輸出高電的問題G1的輸入保持高電平。該方法可以解決二極管灌流損傷D1的問題可以解決灌流問題Vcc建立電壓。缺點(diǎn)只適用于不快的電路。如果單片機(jī)IO口相對(duì)脆弱，或兩側(cè)電壓不同，需要低成本電平轉(zhuǎn)換，但在一個(gè)方向上，當(dāng)速率相對(duì)較低（如串口）時(shí)，可以選擇該方案。二極管好選擇小特基二極管

電平轉(zhuǎn)換

處理器將在電路設(shè)計(jì)過程中遇到MCU的I/O電平和模塊I/O電平不同的問題需要電平轉(zhuǎn)換，以確保兩者之間的正常通信。如果兩側(cè)的電平不同，則直接連接通信，如TTL上一節(jié)電流會(huì)倒灌。

電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)需要幾個(gè)問題：

（1）VOH>VIH；VOL<vil

各電平的電壓范圍

（2）對(duì)于多電源系統(tǒng)，某些器件不允許輸入電平**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，使用時(shí)應(yīng)注意通信速度的要求。

1.NPN三極管電平轉(zhuǎn)換

三極管電平轉(zhuǎn)換電路

這種電平轉(zhuǎn)換由兩級(jí)三極管電路組成。三極管只能單向轉(zhuǎn)換，部件較多。

2.NMOS電平轉(zhuǎn)換

NMOS電平轉(zhuǎn)換電路

該電路可實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，使用條件是VCC2>VCC1 0.7V，這個(gè)電路也是我常用的電路。工作流程如下:

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Port一端電壓低電平。

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體二極管導(dǎo)通使Vs的電壓為0.7V左右，那么Ugs=VCC1-0.7V，只要所選開啟電壓小于Ugs可以讓電壓MOS管導(dǎo)通，Port1端的電壓為Port2端的電壓--低電平。

3. 用**電平芯片轉(zhuǎn)換電平

使用**電平轉(zhuǎn)換芯片，為輸入和輸出信號(hào)提供不同的電壓，由芯片內(nèi)部完成轉(zhuǎn)換，如PCA9306DCTR等電平轉(zhuǎn)換芯片。

**電平轉(zhuǎn)換芯片

優(yōu)勢(shì)：

1) 驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng):一般采用**芯片輸出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：**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:由于集成度高，工藝高，**芯片的速率從數(shù)百個(gè)K到數(shù)百M(fèi)可以做所有的頻率。

劣勢(shì)：

1) 成本:**芯片集很多優(yōu)點(diǎn)于一體，即成本是大的劣勢(shì)，一個(gè)普通的幾百塊K4通道電平轉(zhuǎn)換芯片的速率至少為1元，如果使用三極管，成本不到20美分。

**電平轉(zhuǎn)換芯片價(jià)格

4. 用電阻分壓轉(zhuǎn)換電平

   電阻分壓電平轉(zhuǎn)換電路

優(yōu)勢(shì)：

1) *:*是大的優(yōu)勢(shì)，兩個(gè)電阻不到一分錢；

2) 實(shí)現(xiàn):電阻采購，占地面積小。

劣勢(shì)：

1) 速度:分壓法用于降低功耗K電阻等級(jí)以上，加上電路和設(shè)備的分布和寄生電容，速率難以提高，一般只能用于100K內(nèi)部頻率。

2) 驅(qū)動(dòng)能力:由于使用了大電阻，嚴(yán)格控制了驅(qū)動(dòng)能力，不適合需要高驅(qū)動(dòng)能力的場合，如LED燈等

3) 漏電:漏電是該方案大的缺點(diǎn)。由于電阻直接連接，左右兩端的電壓會(huì)流動(dòng)，相互影響。RS該方案采用232接口，上電瞬間外設(shè)為主芯片提供2.8V電平，輕則影響時(shí)間，導(dǎo)致主芯片無法啟動(dòng)，重則導(dǎo)致主芯片鎖定效應(yīng)，燒毀芯片。

5. 電阻限流轉(zhuǎn)換電平

電阻限流電平轉(zhuǎn)換電路

優(yōu)勢(shì)：

1) *:*是大的優(yōu)勢(shì)，只需要一個(gè)電阻就可以解決。

2) 實(shí)現(xiàn)。

劣勢(shì)：

1) 電阻值不易選擇，需要熟悉芯片內(nèi)部。

6. 使用二極管轉(zhuǎn)換電平

   二極管電平轉(zhuǎn)換電路

優(yōu)勢(shì)：

1) 漏電流小:由于二極管漏電流很小（uA等級(jí))，可單向防止電源倒灌，防止電流倒灌。

2) 實(shí)現(xiàn)。

劣：

1) 電平誤差大:主要原因是二極管正壓降大，**過芯片的工作電壓范圍。

2) 單向防倒灌:只能單向防倒灌，不能雙向防倒灌。

3) 速度和驅(qū)動(dòng)能力不理想:由于電阻限流，驅(qū)動(dòng)速度和能力不理想，只能應(yīng)用于100K內(nèi)部頻率。


無錫福盛環(huán)境工程有限公司專注于管中型防倒灌器,不銹鋼一體化預(yù)制泵站,柔性氣動(dòng)截流裝置,液動(dòng)下開式堰門,一體化智能截流井設(shè)備,雨污分流設(shè)備等, 歡迎致電 18761521967

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