关键词：GPIO，TT，FT
目录预览
1、概述
2、TT 和 FT IO 的结构和参数区别
3、TT IO 的注意事项
4、小结
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概述
在 STM32 系列 MCU 中， 除了一些特殊管脚外，绝大多数管脚都可以分类为 FT (兼容5V 信号)或 TT（兼容 3V3 信号）类型的 IO，由于 MCU 内部设计的不同， TT IO 相比 5V IO 有更多的限制，下面我们将予以说明。
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TT 和 FT IO 的结构和参数区别
下面我们解释 TT 和 FT IO 的不同内部结构以及因此导致的对输入电压和电流的不同限制要求。
2.1. TT 和 FT IO 的结构区别
下面的图 1 描述了 TT 和 FT IO 的通用结构：
图1.TT/FT IO 的内部结构
TT 和 FT IO 的内部结构在 IO 端口的保护电路 （IO 到 VSS 二极管以及 ESD 保护单元），输出 BUFFER，数字控制单元以及模拟单元都是相同的。
区别在于， 对于 FT IO 来说，从 IO 输入到模拟单元之间存在一个模拟开关，只有在软件控制相关寄存器后这个开关才会闭合. 而对 TT IO 来说， 这一模拟开关是不存在的，IO 管脚与模拟单元直接相连。
2.2. 结构不同导致对电平和电流的不同要求
从图 1 结构图中可以看到， 在 IO 内部的模拟单元中存在一个输入信号到 VDDA 寄生二极管和相串联的电阻，该二极管是寄生的，因此其电流能力是无法保证的，不但不能用做模拟输入信号的钳位二极管，而且还要避免任何从输入信号到 VDDA 的注入电流的产生, 否则可能导致内部相关电路的损坏。
因此对于 FT IO 的数字输入信号来说， 由于模拟开关被断开， 输入的信号即使高于VDDA 也不会导致模拟单元中寄生二极管电流的产生，在 VDD+4V 的范围内， IO 是安全的。
如果 FT IO 被配置为模拟输入，模拟开关闭合， 那么它就不再是兼容 5V 的 IO 了，输入信号的幅度必须小于 VDDA+0.3V。
对于 TT IO 来说，由于不存在到模拟单元的模拟开关，模拟单元的寄生二极管和 IO 口是直接相连的，因此，在任何时候都必须保证加到 TT IO 端口的信号电平小于VDDA+0.3V。
另外需要补充的是，如果 IO 输入信号可能存在负电平，尽管 TT 和 FT 类型的 IO 都在端口处设计有到 VSS 的二极管，这一二极管提供了一定的钳位保护能力，但是其通过电流能力限制在 5mA 以下。因此，外部钳位二极管通常仍然是必须的，如果不能通过外部钳位二极管将输出负电平信号限制在大于 -0.3V, 那么就需要串联限流电阻将流经二极管的负注入电流限制在 5mA 以下。
2.3. STM32 datasheet 中相关参数说明
在 STM32 的 datasheet 中对 IO 端口的电压和注入电流的要求有限制， 以STM32G474 为例， 在 Absolute maximum ratings 章节中， IO 对输入信号电压的要求如下：
图2.IO 对输入信号电压的要求
很多人注意到了电压要求，认为只要加在 FT IO 的信号电平不超过 VDD+4V， 加在TT IO 的电平不超过 4V 都是安全的， 但是忽视了 IO 对工作电流和注入电流也有要求， 电流方面的要求也必须得到满足， 具体如下：
图3. IO 对电流方面的要求
可以看到， IO 对注入电流同样有着限制，在-5mA 到 0 之间，超出这一范围仍然可能造成 IO 的损坏。
对于 STM32 的使用来说， 电平和电流方面的限制必须都得到满足。
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TT IO 的注意事项
使用者对加在 IO 的电平幅度限制一般都能遵守，但是对于 IO 电流特别是注入电流的严格限制往往被一些使用者忽视，然而实际上， IO 对注入电流的限制往往对加在 IO 管脚的信号电平提出了更高的要求。
对于 FT 类型 IO 来说， 只要信号电压在使用的合理范围内，正的注入电流是不可能产生的。
对于 TT 类型 IO 来说， 超过 VDDA+0.3V 的信号电压都有可能产生 大于 0mA 的正向注入电流，这个电流流过芯片内部参数没有保证的模拟单元寄生二极管，从而可能导致电路损伤。
因此对 TT IO 的电平 小于 VDDA+0.3V 的限制在任何场景下都必须满足。
一个常被忽视的场景是系统上电时， 在 STM32 的供电系统还没有建立时， STM32 的IO 信号已经加在了 IO 管脚，例如某些电源或电机应用中对母线电压的检测，通常用分压电阻将母线电压分在 1V~2V 之间后连接到 STM32 的某一 ADC 采样输入 IO，通常这一分压电压到达 IO 比 VDD 建立更早。如果这一 IO 是 FT 类型的， 那么 IO 的信号电平始终能满足 小于 VDD+4V 的要求， 不管 VDD=0V 或 3V3。但是假如这一信号所接的是 TT 类型的 IO， 那么在 VDD=0 或低电平时， 母线电压分压后的电平将超过 VDDA+0.3V 的限制，带来芯片损坏的可能。
为了避免 TT IO 损坏，在系统上电，下电或工作的整个过程中， 必须始终满足 TT IO 端口电平 小于 VDDA+0.3V 的要求. 当 TT IO 的信号电平可能超过 VDDA+0.3V 时， 钳位保护电路是必须的。
在上述母线电压检测的案例中， 如果这一检测管脚不得不使用 TT IO， 那么一个从信号到 VDDA （或同电位的其它电源）的钳位二极管将可以防止 VDD=0 等场景下信号电平超范围的可能。
04
小结
在 IO 管脚的使用中， 电平限制和电流包括注入电流的限制必须同时得到满足。
TT IO 由于内部结构的原因，更容易产生正的注入电流而给 IO 带来损坏。注入电流的限制给 IO 端口的信号电平带来了更严格的要求。
在使用中， 必须考虑信号电平的时序，确保在任何场景下 TT IO 的信号电平满足小于VDDA+0.3V 的要求, 必要时可以通过钳位电路来达到这一目的。
