混合電壓系統(tǒng)與板級(jí)總線邏輯電平轉(zhuǎn)換

摘 要：本文分析了在混合電壓系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)板級(jí)總線邏輯電平轉(zhuǎn)換存在的問題，給出常用器件的工作電壓、傳輸速度和驅(qū)動(dòng)能力，詳細(xì)分析了通過使用專用電壓轉(zhuǎn)換器件實(shí)現(xiàn)邏輯電平轉(zhuǎn)換的方法，研究了混合電壓系統(tǒng)的上電問題，最后通過實(shí)例展示了使用專用芯片實(shí)現(xiàn)邏輯電平轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：混合電壓系統(tǒng)；板級(jí)總線；邏輯電平轉(zhuǎn)換

1 引言

隨著微電子、信息技術(shù)的發(fā)展，手持設(shè)備、便攜設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，這些設(shè)備共同的特點(diǎn)之一是采用電池供電，低功耗通常是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要指標(biāo)，硬件設(shè)計(jì)人員通過選用低電壓供電的器件，利用降低數(shù)字電路的邏輯電平跳變幅度，降低系統(tǒng)對(duì)電源的消耗。此外，在芯片設(shè)計(jì)中，為了降低高集成度芯片的正常工作溫度，提高器件的可靠性、延長使用壽命，芯片設(shè)計(jì)人員通常也采用降低芯片工作電壓的方法達(dá)到技術(shù)要求?，F(xiàn)在低電壓供電的器件如ARM、DSP、FPGA、MSP430等電源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V，0.9V供電，而通常為提高總線傳輸?shù)脑肼暼菹?，總線的邏輯電平相對(duì)較高，在板級(jí)總線設(shè)計(jì)中通常采用5V電平標(biāo)準(zhǔn)。因此，5V與3.3V、2.7V、2.5V等不同的邏輯電平常常在板級(jí)總線傳輸電路中共存，正確處理混合電壓系統(tǒng)總線電路的上電供電順序、啟動(dòng)時(shí)序、電平轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)能力、傳輸速率匹配等復(fù)雜問題，是確保系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定工作的關(guān)鍵因素之一。

2 混合電壓系統(tǒng)中總線邏輯傳遞

使用不同電壓供電的邏輯器件，在有些情況下可以直接互連。然而在大多數(shù)情況下需要采用邏輯電平轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)連接。為了使數(shù)據(jù)能在接收器和發(fā)送器間正常轉(zhuǎn)換，發(fā)送器的輸出電平必須和接收器的輸入電平容限兼容。即是保證，發(fā)送器發(fā)出低電平時(shí)的VOL小于等于接收器的VIL；發(fā)送器發(fā)出高電平時(shí)的VOH必須大于等于接收器的VIH（見圖1）。在這種情況下，才能保證可靠的邏輯信號(hào)傳遞。

驅(qū)動(dòng)電流和傳輸速度的兼容也是混合電壓系統(tǒng)板級(jí)總線傳輸?shù)闹匾笜?biāo)。由于芯片制造工藝的差別，邏輯器件的驅(qū)動(dòng)電流、傳輸速度差異較大。如在3.3V條件下，TI的AHC/T器件傳輸時(shí)延為13.5ns、驅(qū)動(dòng)電流為-4/4mA，ALVT器件為2.4ns、驅(qū)動(dòng)電流為-32/64mA，性能差別較大。同一種器件在不同供電條件下性能指標(biāo)也有差異，如LV系列在5V供電時(shí)，傳輸時(shí)延為6.5ns、驅(qū)動(dòng)電流為-16/16mA，而在3.3V供電時(shí)，傳送時(shí)延為10ns、驅(qū)動(dòng)電流為-8/8mA。表2列出了TI常用器件的傳輸時(shí)延、驅(qū)動(dòng)電路的性能指標(biāo)。

3 總線邏輯電平轉(zhuǎn)換的方法

總線邏輯電平轉(zhuǎn)換通常采用2種方法：分立元件、專用集成電路。

3.1 分立元件

分立元件通常只能實(shí)現(xiàn)單向邏輯電平轉(zhuǎn)換。常用電阻分壓、二極管降壓、三極管隔離等分立元件組成的電路完成邏輯電平轉(zhuǎn)換。在許多資料上都有相關(guān)論述，本文不做詳細(xì)介紹。

3.2 專用集成電路

采用專用集成電路完成總線邏輯電平轉(zhuǎn)換能夠簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并提高轉(zhuǎn)換的可靠性。許多芯片公司都提供了專用的邏輯電平轉(zhuǎn)換器件，如TI、MAXIM等。開漏輸出的邏輯芯片，可以直接用來實(shí)現(xiàn)單向邏輯電平轉(zhuǎn)換如74LVC07等芯片。雙向邏輯轉(zhuǎn)換較常用的有SN74LVC4245、SN74LVC164245、SN74LVCC3245A和SN74LVCC4245A。這些芯片采用供電隔離的方法，使用兩路不同的電源供電，分別給2路輸入輸出端口提供與供電電壓相應(yīng)的兩種不同的邏輯電平。這種器件能實(shí)現(xiàn)雙向的3.3-V LVTTL/LVCMOS與5-V CMOS轉(zhuǎn)換、2.5-V CMOS與5-V CMOS轉(zhuǎn)換、2.5-V CMOS與3.3-V LVTTL/LVCMOS轉(zhuǎn)換。

a）固定輸出的總線收發(fā)器

SN74LVC4245A是雙電源通道的8位總線收發(fā)器。端口A工作電壓為5V，而端口B為3.3V。這種特性使器件能夠?qū)崿F(xiàn)3.3V—5V雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換，完成總線數(shù)據(jù)傳遞。數(shù)據(jù)從總線A傳輸?shù)娇偩€B，或由總線B傳輸?shù)娇偩€A，方向控制端（DIR）的邏輯電平控制數(shù)據(jù)的傳輸方向。如果器件需要暫時(shí)與總線分離，可用通過控制輸出使能端口（ ）使器件禁止輸出。SN74ALVC164245是16位總線收發(fā)器，它的功能和使用與SN74LVC4245A相似。唯一不同的是SN74ALVC164245的VCCA被設(shè)定為3.3V而VCCB為5V，與SN74LVC4245A相反。VCCA是這兩種器件的控制端，DIR（傳輸方向）和 （輸出使能）由VCCA CMOS邏輯驅(qū)動(dòng)。對(duì)于SN74LVC4245A，DIR和 由5-V CMOS電平控制，對(duì)于SN74LVC164245，DIR和 由3.3-V CMOS電平控制。

b）輸出可配置的總線收發(fā)器

SN74LVCC3245A和SN74LVCC4245A是8位雙電源可調(diào)輸出電壓的總線收發(fā)器，即總線B上的電平由VCCB控制。SN74LVCC3245A，VCCA工作電壓在2.3V和3.6V間，而VCCB工作電壓范圍是從3V到5.5V之間。因此，器件可以實(shí)現(xiàn)雙向3.3V到5V、2.5V到5V、2.5V到3.3V的邏輯電平轉(zhuǎn)換。SN74LVCC4245A有些不同，其VCCA工作電壓為5V，VCCB工作電壓為3V到5V，該器件只能在3.3V到5V間轉(zhuǎn)換。VCCA是這兩種器件的控制端，控制輸入電平由VCCA CMOS邏輯電平?jīng)Q定。SN74LVCC4245A的DIR和 由5-V CMOS邏輯驅(qū)動(dòng)，而SN74LVCC3245A的DIR和 由3.3-V CMOS電平驅(qū)動(dòng)。

4 混合電壓系統(tǒng)上電問題

混合電壓系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一是針對(duì)系統(tǒng)上電的可靠設(shè)計(jì)。因?yàn)樵谏想姇r(shí)系統(tǒng)硬件邏輯處在不確定狀態(tài)，不完善的設(shè)計(jì)極易造成振蕩、大電流沖擊、輸入輸出邏輯紊亂。在采用了邏輯電平轉(zhuǎn)換技術(shù)的混合電壓系統(tǒng)中，系統(tǒng)上電時(shí)極易產(chǎn)生不同供電電源間電流互串和總線負(fù)載過大。尤其在使用集成的邏輯電平轉(zhuǎn)換芯片系統(tǒng)中，正確的上電控制可以避免電流過沖、總線競爭、振蕩或由器件管腳偏壓等引起的異常現(xiàn)象。通常在上電時(shí)要避免在控制端電壓供電不穩(wěn)的情況下，進(jìn)行邏輯電平轉(zhuǎn)換并驅(qū)動(dòng)其他器件。以總線收發(fā)器SN74LVC4245A、SN74LVCC3245A器件為例，混合電壓系統(tǒng)邏輯電平轉(zhuǎn)換芯片正確的上電控制應(yīng)當(dāng)遵循以下原則，其他的邏輯電平轉(zhuǎn)換器件可以以此為參考。

a）上電前保證器件可靠的接地。

b）先給器件的控制端上電（這兩種器件是VCCA）。

c）在 控制腳，使用上拉電阻與VCCA連接，使 與VCCA保持同步變化。

d）根據(jù)數(shù)據(jù)傳送的方向，控制DIR電平的高低。對(duì)于這兩種器件，如果數(shù)據(jù)傳送從A到B，則使DIR上拉電阻到VCCA，否則將DIR連接到地。

e）給另一側(cè)電源供電端上電。

控制邏輯電平轉(zhuǎn)換器件正確的上電順序，能夠得到正確的上電曲線，避免電路產(chǎn)生振蕩、大電流沖擊等問題。對(duì)于這2種器件，先給VCCA供電，然后給VCCB供電， 端使用1K的上拉電阻與VCCA相連，DIR接高電平或低電平，實(shí)驗(yàn)測試SN74LVC4245A和SN74LVCC3245A實(shí)際上電曲線見圖3、圖4：

分析上電曲線，器件在上電過程中，ICCA電流值沒有出現(xiàn)振蕩、較大的電流過沖（最大不超過10mA），因此按照規(guī)范要求，正確設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電順序，能夠保證穩(wěn)定可靠的混合電壓系統(tǒng)邏輯電平轉(zhuǎn)換。

5 采用總線邏輯電平轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

圖5是采用SN74LVC4245總線電平轉(zhuǎn)換器件的電路設(shè)計(jì)，電路中MSP430F133為3.3V供電電壓標(biāo)準(zhǔn)，為了給其他系統(tǒng)提供5V電壓標(biāo)準(zhǔn)的總線，電路通過采用2片SN74LVC4245完成總線電平轉(zhuǎn)換，其中DIR接地，信號(hào)轉(zhuǎn)換方向從B傳向A。B端口供電VCCB為3.3V，A端口供電VCCA為5V，通過在VCCB端并聯(lián)100uF電容，使得VCCB上電后的電壓提升速度滯后于VCCA，達(dá)到VCCA先供電的目的。受單片機(jī)控制，上電時(shí) 被上拉，總線輸出被禁止，在電路穩(wěn)定、程序正常運(yùn)行后，將 拉低，確?？偩€處在正確的邏輯狀態(tài)。

6 結(jié)論

隨著手持設(shè)備、移動(dòng)終端的廣泛應(yīng)用，降低系統(tǒng)功耗將是硬件設(shè)計(jì)的首要問題之一，選用工作電壓較低的器件能夠顯著降低系統(tǒng)的功率消耗。目前，板級(jí)總線大多工作在5V供電的標(biāo)準(zhǔn)，因此，5V與3.3V、2.5V、1.8V或更低邏輯電平的混合電壓系統(tǒng)將在板級(jí)總線電路中大量共存。合理設(shè)計(jì)電路和選用器件、保證正確的上電順序能夠避免電流過沖或可能對(duì)器件產(chǎn)生的損害，可以保證混合電壓系統(tǒng)的長期工作的穩(wěn)定性和可靠性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Nadira Sultana and Chris Cockrill，Texas Instruments Voltage-Level-Translation Devices.Texas Instruments，2009.

[2]周鑫華.低壓DSP與CPLD的混合電壓系統(tǒng)設(shè)計(jì).石油儀器，2008.4.

[3]Logic Selection Guide，Texas Instruments，2003.

[4]趙衛(wèi)華.TMS320LF2407A在混合電壓系統(tǒng)中的設(shè)計(jì).電子技術(shù)應(yīng)用，2004.

[5]王幸之，等，著，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電磁干擾與抗干擾技術(shù).北京航空航天大學(xué)出版社，2006.