ZLG嵌入式笔记(连载09)|电平匹配问题，简单却容易被忽视

原创 ZLG致远电子 2024-12-20 11:32

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导读

在电路设计中，电平匹配是一个基本要求，但常常被忽视，可能导致设备故障和通信异常。本文我们将揭示如何避免因电平不匹配导致的设备故障，并提供实用的设计建议，确保您的电路设计既高效又稳定。

电平匹配是进行电路设计时的一个基本要求，但有时候却很容易被忽略，特别是没有仔细查看外设或者芯片规格书的时候，根据以往经验来设计，带来了一些问题。这类问题只要在设计的时候稍加检查就能被发现，下面的案例1和案例2都是因为没有仔细看CAN隔离模块的电气特性引起的设计错误，其中案例2问题比较隐蔽，还涉及到不同温度下电气特性的变化：

MR6450外接5V CAN收发器，工作异常；
使用CAN收发器出现偶发性工作异常。

电平匹配在新处理器系统设计时越来越值得注意，现在很多处理器都分多个电平域，有的IO是3.3V，有的是1.8V。电平不匹配会工作不正常，还会带来损坏IO的危险，例如产生电流倒灌而损伤IO口。

I²C电平匹配也是一个经常遇到的问题，下面我们将给出两种不同方案供参考。

TTL和CMOS电平参数定义

我们先看下TTL、CMOS逻辑电平参数定义，参考图1。

图1 TTL和CMOS逻辑电平定义

不同逻辑电平的两个器件要想实现信号可靠传输的前提条件：

驱动器输出的VOH(MIN)必须大于或等于接收器输入的VIH(MIN)。
驱动器输出的VOL(MAX)必须小于或等于接收器输入的VIL(MAX)。
驱动器输出的电压不得超过接收器输入的I/O电压容差。

案例1：MR6450 的UART脚接到了5V的收发器

某客户使用我司MR6450-L核心板通过UART通讯方式外接RS485模块，无法正常工作，与客户沟通后了解到客户使用的RS485模块逻辑电平为5V。

MR6450核心板处理器为先楫HPM6450，其IO 3.3V逻辑电平定义如图2所示。

图2 MR6450 IO 3.3V逻辑电平定义

RS485模块5V逻辑电平定义如图3所示。

图3 RS485模块5V逻辑电平定义

由此可知HPM6450 TX信号输出的高电平最大值为VCC-0.1V=3.2V , 而5V RS485模块TXD输入高电平的最小值为5*0.7=3.5V，很明显不满足驱动器输出的VOH必须大于或等于接收器输入的VIH(MIN)这一必要条件，IO口逻辑电平不匹配，从而导致两个模块间无法通讯。

解决方案：选型3.3V 逻辑电平的RS485模块，或MCU和模块间增加电平转换电路。

案例2：CAN隔离模块电平与处理器不匹配，工作时偶尔出现间歇性通讯故障

具体表现为客户使用我司一款隔离CAN收发器模块，常温下偶尔出现个别产品间歇性通讯故障，将异常产品置于高温环境下（65℃）进行重复上电测试，可复现异常现象。

常温下，测试异常产品的以下信号：MCU供电、TXD、CAN差分、CAN模块供电，正常时各点波形如图4所示。

图4 正常时MCU、CAN差分信号、CAN模块供电电平波形

进一步进行高温实验。将异常产品置于65℃的烤箱中，并进行重复上电，测试以下信号：MCU供电、TXD、CAN差分、CAN模块供电，异常时各点波形如图5、图6所示。

图5 异常时MCU、CAN差分信号、CAN模块供电电平波形

图6 异常时CAN差分信号、CAN模块供电电平波形

分析CAN总线出现异常位宽时的波形。当TXD信号由低变高时CAN总线电平仍然维持显性电平，在偶然间叠加线路板上noise后引起TXD电平略微变大。此时CAN总线电平概率性变为隐性电平。

高温环境下，因半导体材料的特性有可能会导致整个系统的功耗有所增加。此案例呈现的现象为MCU供电电压下降，CAN模块供电电压上升，进一步影响到两模块的逻辑电平，从而使异常现象变得更为明显。实测CAN模块不同电压和温度环境下，TXD高电平阈值的变化如图7所示。

图7 CAN模块不同电压和温度环境下，TXD高电平阈值的变化

问题根因：高温65°C环境下，CAN模块供电5.19V，对应的TXD高电平阈值约为3.17V，MCU供电3.08V，对应的IO输出电压最高约为3V，MCU输出的VOH低于CAN模块的输入VIH，两模块间逻辑电平不匹配，导致通讯异常，因IO口电平逻辑的容错余量比较小，常温下也许能工作，但在高温环境等比较严格的环境下，两模块间的逻辑电平很容易出现不匹配问题。

解决方案：将5V隔离模块更换成3.3V隔离模块。

如果I²C电平不匹配该怎么处理？

1. 使用专用的I²C总线电平转换芯片PCA9306

PCA9306是一款支持I²C总线和SMBus的双向电平转换器，支持从1.0V～3.6V（Vref(1)）到1.8V～5.5V（Vbias(ref)(2)）的电平转换，PCA9306可工作在两种工作频率下：400KHz和100KHz。最大频率取决于RC时间常数，一般支持>2MHz。

PCA9306标准使用电路如图8所示。