不同電源供電的器件間的橋接(07-100)

　　半導(dǎo)體行業(yè)從一開始就以“更小、更快、更便宜、更好”為宗旨。當(dāng)前的掌上電腦(Pocket PC)比占地整整一幢樓的第一臺電腦功能更強大。然而，到目前為止，實現(xiàn)這一目標(biāo)的方法都是減小組成半導(dǎo)體器件的單個晶體管的體積。這也帶來了有趣的副作用。隨著晶體管變得越來越小，工作電壓也越來越低。在過去的嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的就是5V電源。但典型嵌入式系統(tǒng)中的大多數(shù)元器件也轉(zhuǎn)而采用更低的電源電壓，以充分利用行業(yè)最新趨勢帶來的好處。另一方面，系統(tǒng)中的某些元器件需要更長的時間才能完成轉(zhuǎn)變。因此，在轉(zhuǎn)變過程中，系統(tǒng)中的某些元器件可能需要不同的供電電壓(如，在3.3V系統(tǒng)中存在5V器件，反之亦然)。這給嵌入式設(shè)計人員帶來了一些設(shè)計方面的挑戰(zhàn)。一種解決方案是采用邏輯電平轉(zhuǎn)換器，但采用電平轉(zhuǎn)換器并非成本效益最高的解決方案。本文將討論3.3V單片機(MCU)與5V外設(shè)接口的一些低成本設(shè)計思路。



　　如果要將5V設(shè)計轉(zhuǎn)為3.3V，第一件事就是尋求電源為3.3V但其他性能相同的單片機。大多數(shù)情況下，都能找到支持3.3V電壓的同等器件。而且，基本上，3.3V器件的成本與之持平，甚至更低。如果找不到可運行在3.3V條件下的替代器件，那么就必須采用雙電源了。本文的重點就是討論采用雙電源供電的設(shè)計。

　　對于5V和3V器件共存的設(shè)計，首先必須理解邏輯電平和輸入/輸出結(jié)構(gòu)。對于輸入，需要考慮VIH(保證被檢測為高輸入的電壓)和VIL(保證被檢測為低輸入的電壓)。將3.3V系統(tǒng)連接到5V器件時，VIH 通常會比VIL帶來更大的問題。當(dāng)然，這并不是說可以忽略VIL 參數(shù)。驅(qū)動器件必須輸出高于接收器件VIH(min)值的電壓才能保證正確的邏輯檢測。但是，如果電壓太高也不好。

　　幾乎所有CMOS器件在所有I/O引腳都采用了某種形式的ESD保護。實現(xiàn)ESD保護最常見的方法是采用箝位二極管將這些引腳連接到Vdd 和 Vss。這通常意味著最大輸入電壓為Vdd +0.3V，最小輸入電壓為Vss - 0.3V。如果電壓超出這一范圍，保護二極管就會導(dǎo)通。如果輸入端沒有串聯(lián)電阻，就會導(dǎo)致這些二極管通過極大電流，并有可能造成器件鎖死。這肯定不是所希望發(fā)生的。如果電壓足夠高(如3.3V系統(tǒng)中的5V輸入)，那么串聯(lián)電阻必須非常大才能保證箝位電流處于安全范圍內(nèi)。如果電阻足夠大，那么由于引腳電容和PCB布線而引起的低輸入容抗可能就會變得重要起來。RC時間常數(shù)會導(dǎo)致信號延遲。許多生產(chǎn)商都建議不要使用箝位二極管實現(xiàn)ESD保護。因此，采用串聯(lián)電阻并非將5V信號饋送到3.3V器件的最好方法。