CMOS電平

 

現大部分數字集成電路采用的是CMOS工藝，其接口的電平大致符合如下定義：

 

VIL<0.3Vcc；VIH>0.7Vcc；

VOL<0.1Vcc

；VOH>0.9Vcc。

 

以常見的5V、3.3V係統為例，相應的接口參數如表1。

 

表1 不同供電下的電平要求

 

注：表中數據僅為計算參考值
，器件實際參數需參考相應的數據手冊。

 

電平不匹配

 

為了確保兩個器件的信號可靠傳輸

，必須保證：

 

● 驅動器輸出的VOH(MIN)必須高於接收器輸入的VIH(MIN)。

● 驅動器輸出的VOL(MAX)必須低於接收器輸入的VIL(MAX)。

● 驅動器輸出的輸出電壓不得超過接收器輸入的I/O電壓容差。

 

當兩個CMOS器件連接在一起時
，若供電電壓一致，信號傳輸不存在問題。若兩個器件供電電壓不一致，則會存在電平不匹配問題。

 

以3.3V器件與5V器件連接為例，會出現以下兩個問題：

 

● 5V器件輸入引腳可能無法識別3.3V器件輸出的高電平

 

如圖1
，3.3V器件輸出VOH最大值3.3V也無法達到5V器件VIH的最小值3.5V，無法保證3.3V器(qi)件(jian)輸(shu)出(chu)的(de)高(gao)電(dian)平(ping)被(bei)正(zheng)確(que)識(shi)別(bie)。由(you)於(yu)器(qi)件(jian)設(she)計(ji)有(you)一(yi)定(ding)餘(yu)量(liang)，在(zai)測(ce)試(shi)時(shi)可(ke)能(neng)仍(reng)可(ke)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)
，但(dan)存(cun)在(zai)風(feng)險(xian)
，如(ru)出(chu)現(xian)器(qi)件(jian)電(dian)壓(ya)波(bo)動(dong)時(shi)，就(jiu)會(hui)出(chu)現(xian)問(wen)題(ti)。

 

圖1 3.3V器件輸出，5V信號輸入

 

● 5V器件輸出高電平可能損壞3.3V器件輸入接口。

 

如圖2，5V器件輸出高電平信號遠高於3.3V，若3.3V器件輸入引腳不支持5V電平輸入，則工作時會有電流灌入3.3V器件，嚴重會造成器件損壞。

 

圖2 5V信號輸出，3.3V信號輸入

 

隔離收發器選型

 

以CTM1051(A)M係列產品為例
，其內部采用的CMOS技術的芯片，引腳電平如圖3，符合CMOS電平標準。在選型時，應該針對不同的MCU選擇相應型號，才能杜絕因電平不匹配產生問題，若MCU為5V供電，應選擇CTM1051M；若MCU為3.3V供電，則選擇CTM1051AM。

 

圖3 CTM1051(A)M引腳電平

 

實際案例

 

客戶使用於我司一款隔離CAN收發器模塊
，已經大批量出貨，但應用中出現個別異常現象。異常產品表現為CAN總線間歇性通訊故障。當產品處於高溫環境時（如65℃）

，對其進行重複上電，可複現通訊故障現象。

 

1

、複現異常

 

將異常品置於65℃的烤箱中，並對以下信號進行測試：MCU供電
、TXD、CAN差分、CAN模塊供電。未出現異常時，各點波形如圖4。可以看到，MCU是3.3V供電
，電壓穩定在3.2V左右，CAN模塊供電穩定在5.07V左右

，CAN差分波形與TXD信號對應無異常。

 

圖4 正常時波形

 

對異常板卡進行重複上電，CAN總線出現大量錯誤幀
，問題複現。異常時，各點波形如圖5
，MCU供電電壓、CAN模塊供電電壓同時出現波動，並出現異常位。異常位出現時，MCU供電下降到3.08V，CAN模塊供電上升至5.19V。

 

圖5 異常時波形

 

仔細觀察異常位波形，如圖6
，發現TXD變為高電平時
，CAN差分電平並未跟隨變化，而當TXD再次出現一個小的噪聲尖峰時
，CAN差分電平才變為隱性電平。結合此時MCU供電電壓下降，CAN模塊供電反而上升的情況

，初步確定問題是因供電電壓波動
，造成TXD高電平無法識別導致。

 

圖6 異常位波形

 

2、問題定位

 

因懷疑TXD電平無法識別，對CAN模塊的TXD高電平閥值電壓值進行測試。不同輸入電壓下，測試數據如表3。

 

表3 異常品TXD高電平閥值電壓

 

從測試數據看出，在不同的環境溫度下，TXD高電平閥值電壓變化均不大。4.75V供電時，閥值約2.91V；5V供電時，閥值約3.06V；5.25V供電時
，閥值約3.2V。

 

如圖5，異常位出現時
，CAN模塊的供電為5.19V，此時TXD高電平閥值應該約為3.17V，而MCU的供電僅為3.08V，IO輸出電壓無法達到3.17V，故無法識別高電平。當TXD出現噪聲尖峰時，使TXD短時間高於3.17V，觸發CAN模塊內部切換，總線差分信號發生變化。

 

此處驗證了上文的猜測
，確定故障發生原因為：高溫上電時

，MCU、CAN模塊供電電壓出現波動，CAN模塊的TXD引腳無法識別MCU發生的高電平信號，導致錯誤幀持續出現，造成CAN通信中斷。

 

3
、解決方案

 

更換為電平匹配的隔離模塊後（由5V隔離模塊更換成3.3V隔離模塊），TXD高電平閥值電壓及CAN總線通訊電平幅值如下圖7所示，均已恢複正常幅值
，通訊無異常。

 

圖7 更換模塊後的TXD高電平閥值以及CAN總線電平

 

本文轉載自致遠電子。
 

 

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