消除微控制器应用中的电平转换器：设计注意事项

在设计系统时，最重要的设计决策之一是选择要使用的电压域。某些电压域（例如 5 V）适用于嘈杂和恶劣的操作环境，例如工业应用中的环境，而其他电压域（例如 3.3 V）通常用于无线通信。然而，每个电压域都增加了设计的复杂性，并且需要一种跨域通信的方法。在这个两篇系列文章的第一篇文章中，将介绍一种称为多电压 I/O (MVIO) 的新型微控制器中的电平转换外设。MVIO 降低了跨域通信所需的设计复杂性和部件数量。

在设计系统时，理想情况下只需要一个电压域，这样可以使设计过程简单明了。在许多情况下，单个域是不可能的，因为许多传感器和模块仅在特定逻辑级别可用。蓝牙和其他无线通信模块经常在 3.3-V 域中运行，而工业应用则倾向于使用 5-V 逻辑以在恶劣的操作环境中获得更高的抗噪性。1.8V 操作在微处理器和其他高性能设备中也很常见。

在跨电压域进行通信时，从一个域转换到另一个域非常重要。大多数设备无法正确处理施加到其输入引脚的更高（高于工作）电压。这可能会导致设备损坏或出现意外行为。例如，考虑一个连接到 3.3V 微控制器的工业 5V 传感器。传感器将向微控制器的输入端施加 5 V 电压，这可能会损坏设备或其他连接的电路。图 1 显示了AVR DB微控制器系列器件的绝对最大额定值。在这种情况下，5 V 输入信号超过了由 3.3 V 供电时的引脚额定值。

图 1 I/O 引脚限制示例是根据 AVR DB 微控制器数据表中的表 39-1 创建的。资料来源：微芯片

另一个可能出现的问题是信号输入可能无法满足所需的低或高输入电压阈值（图 2）。这可能导致边际操作行为。该设计可能根本不起作用，或者更糟糕的是，它可能会在特定的边缘情况或操作条件下起作用。

图 2 根据 AVR DB 微控制器数据表中的表 39-7 创建了 I/O 引脚阈值示例。资料来源：微芯片

这个问题的标准解决方案是在设计中添加一个外部电平转换器。电平转换器在两个电压域上运行并从 A 转换到 B，反之亦然。但是电平转换器会给设计带来成本和问题。有许多不同尺寸和类型的电平转换器，具有不同的功能集。

大型复杂设计可能需要电平转换器的多种变体来满足设计要求。例如，I 2 C 必须与双向电平转换器一起使用，而串行总线（如 SPI）在两个域上都有专用输入和输出的更快的单向电平转换器将更好地工作。此外，每个外部电平转换器都会增加材料清单 (BOM) 和 PCB 空间。

为了消除与使用外部电平转换器相关的面积和费用，Microchip 推出了一种称为多电压 I/O 或 MVIO 的新外设。它已被引入 AVR DB 微控制器系列。MVIO 允许微控制器的一个端口在与设备其余部分不同的电压域中运行。这个特殊端口仍然保留了微控制器 I/O 的正常数字可配置性。由于 MVIO 功能对硬件是透明的，因此数字外围设备将像往常一样在端口上运行（通电时）。这允许基于硬件的 I 2 C、SPI、UART、PWM 和其他外设发挥作用并提高微控制器的电源效率和性能（图 3）。

图 3 一个工业应用程序将自己呈现为 MVIO 的一个可能用例。资料来源：微芯片

关键 MVIO 功能

MVIO 是真正的电平转换。MVIO 端口可以在比微控制器其余部分更高或更低的电压下运行。目前，MVIO 在 AVR DB 系列上的推荐工作电压范围为 1.8 V 至 5.5 V。在这里，MVIO 需要专用电源才能运行，但不需要电源排序。如果主微控制器电源或 MVIO 电源低于所需的最小值，则 MVIO 引脚为三态。

电源恢复时引脚的行为取决于哪个电源掉电。在 MVIO 电源断电的情况下，I/O 将在上电时返回其寄存器设置。如果微控制器电源断电，则当微控制器重新启动时，引脚将重置为上电复位 (PoR) 默认值。

在运行期间，微控制器可以通过三种方式监控 MVIO 的操作：

轮询电源状态

中断电源状态更改

使用 ADC 进行测量

MVIO 状态寄存器指示 MVIO 的电源是否超过最低电压要求。该位可以由微控制器轮询，或者当它改变状态时可以产生一个中断。此外，微控制器中的模数转换器 (ADC) 可以通过内部 10 倍分压器网络测量 MVIO 电源。

MVIO的简单演示

显示 MVIO 的一种直观方式是在观察数字输出的同时调制电源电压。这会创建混合信号波形，跟踪 MVIO 的电源，同时由数字 I/O 选通。以下演示中的模拟波形是通过板载数模转换器 (DAC) 在 AVR DB 微控制器上创建的，并由一个内部运算放大器进行缓冲，以为 MVIO 端口供电。

运算放大器也可用于在其他应用中为 MVIO 供电，但它有两个重要的注意事项：

运算放大器的最大和最小输出电压受微控制器电源和输出电流量的限制。

此设置的静态电流远高于专用电源稳压器的静态电流。

在本演示中，DAC 中的值每 10 µs 从定时器/计数器 B (TCB) 中断服务程序 (ISR) 更新一次，如图 4 所示。ISR 要么从查找表中读取一个值，要么计算来自预编程公式的 DAC 值。确切的行为取决于正在生成的波形；正弦波由固定查找表合成，而其他波形由微控制器计算。

图 4 使用AVR128DB48微控制器的 MVIO 演示框图。资料来源：微芯片

为了显示数字功能，在 MVIO 端口上设置了脉宽调制 (PWM) 输出。定时器/计数器 D (TCD) 创建一个 250-kHz PWM 信号，占空比为 50%。但是，由于 TCD 在 MVIO 端口上没有输出，因此使用可配置自定义逻辑 (CCL) 的一个单元将信号传递到 MVIO I/O 引脚。

生成的输出波形如下图 5 所示。DAC 为 MVIO 电源生成一个固定的 1kHz 正弦波，带有电压偏移，因此 MVIO 电源不会降至最低工作电平以下并关闭。

图 5 这是演示的结果输出波形。
1.8 V 与 MVIO 接口

为了演示 MVIO 的更实际应用，Microchip 与另一家半导体解决方案供应商 Melexis 共同开发了演示；该演示使用其MLX90392 3D 磁力计作为窗户安全传感器。簧片开关是检测窗户是打开还是关闭的常用方法，但开关很容易被放置在它们附近的外部磁铁欺骗。相比之下，MLX90392 磁力计测量三个维度的磁场，使其更能抵抗此类攻击。用户还可以对自定义的打开/关闭窗口阈值进行编程，以允许稍微打开窗口而无需解除系统武装。

MLX90392 磁力计通过 1.8 V 的 I 2 C 与微控制器通信。通常，这需要一个外部电平转换器，但由于微控制器上提供了 MVIO，因此不需要电平转换器。此外，还实施了MLX90632远红外线 (FIR) 传感器来执行室温监测。该传感器由 3.3 V 供电，但有一个变体，也可以在 1.8 VI 2 C 总线上通信。

本演示中的第二个电压域为 3.3 V。该域为微控制器和RN4870蓝牙模块供电。实现了蓝牙通信，以允许演示与智能手机进行交互，而无需使用专门的硬件。在生产应用中，其他更简单、功耗更低的无线通信方法，如Sub-GHz无线电，可能会为每个监控节点做出更好的选择。

审核编辑 黄昊宇