电流倒灌和电平转换问题分析

引言

接口电路的设计在电单片机应用场合中还是很重要的，因为如果接口电路没有设计好，严重就会烧芯片，或者烧芯片IO口，轻者就会导致工作紊乱，工作不正常。有时候这种问题自己在设计调试的时候根本发现不了，在批量生产或者用户在使用的时候才出现芯片被烧掉，或者IO口被烧掉。如果我们在设计的时候能考虑到接口的一些问题就可以减少，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

倒灌就是电流流进IC内部，电流总是流入电势低的地方。比如说电压源，一般都是输出电流，但是如果有另一个电源同时存在，并且电势高于这个电源，电流就会流入这个电源，称为倒灌。

二、危害

1. 电流太大会将使IO口上的钳位二极管迅速过载并使其损坏。

2. 会使单片机复位不成功。

3. 会使可编程器件程序紊乱。

4.会出现闩锁效应。

三、原因

STM32的IO口框图

当两个单片机进行串口通信，如果其中一个单片机断电，另一个单片机继续供电，正常运行。那么没有断电的单片机的IO口给断电的单片机的IO口供电，并同通过上拉保护二极管向断电的单片机进行供电。或者说两个单片机供电电压不一样，电流就会从供电高的一方流向供电低的一方。

四、解决办法

串联限流电阻

如图2加一个小电阻，可以防止过流损坏二极管D1。还可以进行阻抗匹配，因为信号源的阻抗很低，跟信号线之间阻抗不匹配，串上一个电阻后，可改善匹配情况，以减少反射，避免振荡等。也可以减少信号边沿的陡峭程度，从而减少高频噪声以及过冲等。但不能解决灌流在Vcc上建立电压。一般情况下就会选择串电阻，取值范围是几欧到1K欧，根据实际情况而定，小编我喜欢取330欧。

串联反向二极管

在信号线上加二极管D3及上拉电阻R1，D3用于阻断灌流通路，R1解决前级输出高电平时使G1的输入保持高电平。此方法既可解决灌流损坏二极管D1的问题，又可解决灌流在Vcc上建立电压。缺点只适用于速率不快的电路上。如果单片机IO口比较脆弱，或者两边电压不也一样需要低成本进行电平转换，且是但一方向，速率比较低(比如串口)的时候就可以选择该方案。二极管要选择肖特基二极管才比较好

电平转换

在电路设计过程中，会碰到处理器MCU的I/O电平与模块的I/O电平不相同的问题，为了保证两者的正常通信，需要进行电平转换。如果两边的电平不一样就直接连接进行通信，像TTL电平就会出现上一节将的那样电流倒灌现象。

设计电平转换电路需要几个问题：

(1)VOH>VIH;VOL

各种电平的电压范围

(2)对于多电源系统，某些器件不允许输入电平超过电源电压，针对有类似要求的器件，电路上应适当做些保护。

(3)电平转换电路会影响通信速度，所以使用时应当注意通信速率上的要求。

1.NPN三极管电平转换

三极管电平转换电路

这个电平转换就是两级三极管电路组成。三极管只能单向进行转换，而且元器件比较多。

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，这个电路也是小编我常用的电路。其工作过程是：

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Port1端的电压低电平。

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的体二极管导通，使得Vs的电压为0.7V左右，那么Ugs=VCC1-0.7V，只要选择的开启电压小于Ugs电压就可以让MOS管导通，Port1端的电压为Port2端的电压--低电平。

3. 使用专用电平芯片转换电平

使用专用的电平转换芯片，分别给输入和输出信号提供不同的电压，转换由芯片内部完成，例如PCA9306DCTR等电平转换芯片。专用芯片是最可靠的电平转换方案。

专用电平转换芯片

优势：

1) 驱动能力强：专用芯片的输出一般都使用了CMOS工艺，输出驱动10mA不在话下。

2) 漏电流几乎为0：内部是一些列的放大、比较器，输入阻抗非常高，一般都达到数百K。漏电流基本都是nA级别的。

3) 路数较多：专用芯片针对不同的应用，从2路到数十路都有，十分适合对面积要求高的场合。

4) 速率高：专用芯片由于集成度较高，工艺较高，，速率从数百K到数百M的频率都可以做。

劣势：

1) 成本：专用芯片集众多优势于一身，就是成本是最大的劣势，一个普通的数百K速率的4通道电平转换芯片，价格至少要1元人民币以上，如果使用三极管做，成本2毛钱都不到。

专用电平转换芯片价格

4. 使用电阻分压转换电平

电阻分压电平转换电路

优势：

1) 便宜：便宜是最大的优点，2个电阻一分钱不到;

2) 容易实现：电阻采购容易，占用面积小。

劣势：

1) 速度：分压法为了降低功耗，使用K级别以上的电阻，加上电路和器件的分布和寄生电容，速率很难上去，一般只能应用于100K以内的频率。

2) 驱动能力：由于使用了大阻值的电阻，驱动能力被严格控制，并不适合需要高驱动能力的场合，例如LED灯等

3) 漏电：漏电是该方案最大的缺点，由于通过电阻直连，左右两端的电压会流动，从而互相影响。例如，RS232接口采用该方案，上电瞬间外设就给主芯片提供2.8V的电平，轻则影响时序导致主芯片无法启动，重则导致主芯片闩锁效应，烧毁芯片。

5. 使用电阻限流转换电平

电阻限流电平转换电路

优势：

1) 便宜：便宜是最大的优点，只需要一个电阻就解决。

2) 容易实现。

劣势：

1) 电阻选值不是很容易选择，需要对芯片内部很熟悉。

6. 使用二极管转换电平

二极管电平转换电路

优势：

1) 漏电流小：由于二极管的漏电流非常小(uA级)，可以单向防止电源倒灌，防止电流倒灌。

2) 容易实现。

劣势：

1) 电平误差大：主要是二极管的正向压降较大，容易超出芯片的工作电压范围。

2) 单向防倒灌：只能单向防止倒灌，不能双向防止倒灌。

3) 速度和驱动能力不理想：由于电阻限流，驱动速度和能力均不理想，只能应用在100K以内的频率。

审核编辑：汤梓红