MSP430混合電壓和邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1. 引言

近年來(lái)，半導(dǎo)體制造工藝的不斷進(jìn)步和發(fā)展，為便攜式電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用提供了動(dòng)力和保證。便攜式設(shè)備要求使用體積小、功耗低、電池耗電小的器件。因低電壓器件的成本比傳統(tǒng)5V器件更低、功耗更小、性能更優(yōu)，加上多數(shù)器件的I/O腳可以兼容5V/3.3V TTL電平，可以直接使用在原有系統(tǒng)中，所以各大半導(dǎo)體公司都將3.3V、2.5V等低電壓集成電路作為推廣重點(diǎn)。但是，目前市場(chǎng)上仍有許多5V電源的邏輯器件和數(shù)字器件，因此在許多設(shè)計(jì)中3.3V（含3V）邏輯系統(tǒng)和5V邏輯系統(tǒng)共存，而且不同的電源電壓在同一電路板中混用。隨著更低電壓標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)，不同電源電壓和不同邏輯電平器件間的接口問(wèn)題將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)存在。美國(guó)TI（Texas Instruments）公司推出的混合信號(hào)微控制器MSP430系列，正是這樣款低電壓（1.8V ~ 3.6V）、低功耗、高性能的芯片系列。并且它還自帶1到2個(gè)串行通信口，因此在使用它的過(guò)程中就不可避免的要碰到不同電壓、電平的接口問(wèn)題。

2. 電源問(wèn)題

MSP430系列的典型工作電壓是3.3V，而目前一個(gè)系統(tǒng)中的主電源電壓常常是5V。因此在一個(gè)混合系統(tǒng)中首先要解決5V到3.3V的電壓轉(zhuǎn)換問(wèn)題。通常可以采用以下幾種辦法：

2.1 采用低壓差線形穩(wěn)壓芯片（LDO）

線形穩(wěn)壓芯片是一種最簡(jiǎn)單的電源轉(zhuǎn)換芯片，基本上不要外圍元件。 但是傳統(tǒng)的線形穩(wěn)壓器，如78xx系列都要求輸入電壓要比輸出電壓高2V ~ 3V以上，否則不能正常工作，所以78xx系列已經(jīng)不能夠滿足3.3V電源設(shè)計(jì)要求。面對(duì)低電壓電源的需求，許多電源芯片公司推出了低壓差線形穩(wěn)壓器 LDO（Low Dropout Regulator）。這種電源芯片的壓差只有1.3V ~ 0.2V，可以實(shí)現(xiàn)5V轉(zhuǎn)3.3V/2.5V，3.3V轉(zhuǎn)2.5V/1.8V等要求。生產(chǎn)LDO的公司很多，常見(jiàn)的有：ALPHA、 LT(Linear Technology)、 NI (National semiconductor)、TI等。圖1為利用 LT1086-3.3完成5V轉(zhuǎn)3.3V/1.5A 的應(yīng)用電路，圖中的電容要采用鉭電容。有一些LDO芯片還自帶有電源管理功能，可以工作在節(jié)電模式。

2.2 自己設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源

開(kāi)關(guān)電源也是實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換的一種方法，而且效率很高，但設(shè)計(jì)要比使用線形穩(wěn)壓器復(fù)雜得多。不過(guò)對(duì)于大電流高功率的設(shè)計(jì)，建議采用開(kāi)關(guān)電源。例如一個(gè)5V轉(zhuǎn)3.3V/5A輸出的電路，如用線形穩(wěn)壓器，則穩(wěn)壓器功耗為：(5-3.3)×5 = 8.5w，功耗太大，而且必須要加很大的散熱片。如采用開(kāi)關(guān)電源，例如LT1530，則效率可以達(dá)到85% - 90%，功耗只有2w左右。生產(chǎn)這類(lèi)芯片的公司也很多，如：MAXIM、LT、NI等。

2.3 直接采用電源模塊

考慮到開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，一些公司推出了基于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的低電壓輸出電源模塊。這些模塊可靠性和效率都很高，電磁輻射小，而且許多模塊可以實(shí)現(xiàn)電源隔離。用戶只需要加很少的外圍元件即可使用。電源模塊使用方便，但是價(jià)格昂貴。常見(jiàn)生產(chǎn)電源模塊的公司有：Agere（原來(lái)朗訊的微電子部）、Ericsson、Vicor等。國(guó)內(nèi)也有很多公司，如上海衡孚等。

2.4 利用電阻分壓

2.5 四種電源解決方案比較：

到底應(yīng)該采取何種電源設(shè)計(jì)方案，取決于我們?cè)O(shè)計(jì)的具體要求。通常小功率或?qū)﹄娫葱室筝^低的時(shí)候，可以采用LDO。如對(duì)效率有較高要求，或電源功率較大，則應(yīng)該使用開(kāi)關(guān)電源模塊或自己設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源。最終是采用電源模塊或自己設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源，則取決于成本要求和設(shè)計(jì)能力。以上幾種方法各有所長(zhǎng)，各有不足。表1給出了詳細(xì)的比較情況。MSP430的特點(diǎn)之一是低功耗，因此如果要利用它的這個(gè)特點(diǎn)就不能采用電阻分壓法。

3 MSP430與5V邏輯器件接口問(wèn)題

3.1 邏輯電平不同，接口時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題

在混合電壓系統(tǒng)中，不同電源電壓的邏輯器件互相接口存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

加到輸入和輸出引腳上允許的最大電壓限制問(wèn)題。器件對(duì)加到輸入或者輸出腳上的電壓通常是有限制的。這些引腳有二極管或者分離元件接到 Vcc。如果接入的電壓過(guò)高，則電流將會(huì)通過(guò)二極管或者分離元件流向電源。例如在3.3V器件的輸入端上加上5V的信號(hào)，則5V電源會(huì)向3.3V電源充電。持續(xù)的電流將會(huì)損壞二極管和其它電路元件。

兩個(gè)電源間電流的互串問(wèn)題。在等待或者掉電方式時(shí)，3.3V電源降落到0V，大電流將流通到地，這使得總線上的高電壓被下拉到地，這些情況將引起數(shù)據(jù)丟失和元件損壞。必須注意的是：不管在3.3V的工作狀態(tài)還是在0V的等待狀態(tài)都不允許電流流向Vcc。

接口輸入轉(zhuǎn)換門(mén)限問(wèn)題。用5V的器件來(lái)驅(qū)動(dòng)3.3V的器件有很多不同的情況，同樣TTL和CMOS間的轉(zhuǎn)換電平也存在著不同情況。驅(qū)動(dòng)器必須滿足接收器的輸入轉(zhuǎn)換電平，并且要有足夠的容限以保證不損壞電路元件。

3.2 輸入端ESD保護(hù)電路

為了說(shuō)清楚為什么3.3V器件可以有5V的輸入容限，首先介紹邏輯電路輸入端的靜電放電（ESD）保護(hù)電路的工作原理。實(shí)際上數(shù)字電路的所有輸入端都有一個(gè)ESD保護(hù)電路，如圖3所示。傳統(tǒng)的CMOS電路通過(guò)接地二極管D1和D2對(duì)負(fù)向高電壓限幅而實(shí)現(xiàn)保護(hù)，正向高電壓則由二極管D3鉗位。這種電路的缺點(diǎn)是為了防止電流流向Vcc電源，最大的輸入電壓被限制在Vcc+0.5V（二極管壓降）。大多數(shù)5V系統(tǒng)輸出端的電壓可達(dá)3.6V以上，因此采用了這種電路結(jié)構(gòu)的3.3V器件是不能與5V器件輸出端直接接口的。 

 
有些3.3V系統(tǒng)電路可以使用兩個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管或者晶體管T1、T2代替圖3（a）中D1、D2二極管，如圖3（b）所示。T1、T2的作用相當(dāng)于快速齊納二極管對(duì)高電壓限幅。由于去掉了接到Vcc的二極管D3，因此最大輸入電壓不受Vcc的限制。典型情況下，這種電路的擊穿電壓在7V ~ 10V之間。因此，這種改進(jìn)后具有ESD保護(hù)電路的3.3V系統(tǒng)的輸入端可以承受5V的輸入電壓。

3.3 CMOS器件輸出端保護(hù)電路

當(dāng)3.3V系統(tǒng)與5V系統(tǒng)直接接口時(shí)，在 3.3V器件的輸出端可能存在"電流倒灌"問(wèn)題。圖4（a）是CMOS器件輸出端電路的簡(jiǎn)化形式。當(dāng)輸出端電壓高于Vcc+0.5V時(shí)，P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管T1的內(nèi)部二極管D1會(huì)形成一條從輸出端到Vcc的電流通路。所以對(duì)于3.3V的這種CMOS電路與 5V器件相連時(shí)需要加保護(hù)電路。

3.4 各種電平的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)

MSP430系列的供電電壓為1.8V ~ 3.6V，通常取典型電壓為3.3V，所以I/O口的最大邏輯電平也是3.3V。在進(jìn)行MSP430微控制器設(shè)計(jì)時(shí)，除了控制器本身還有很多外圍的模塊和芯片。比如RAM、LCD、串口以及常用的74系列芯片等。如果外圍芯片或者模塊的工作電壓也是3.3V，那么就可以直接接口。但是，由于現(xiàn)在很多芯片的工作電壓都是5V，如EPROM、SRAM、諸多74系列芯片等。因此就存在一個(gè)如何將3.3V MSP430與這些5V芯片或模塊可靠接口的問(wèn)題。表2所示為5V CMOS、5V TTL和3.3 V電平的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。其中，VOH表示輸出高電平的最低電壓，VIH表示輸入高電平的最低電壓，VIL表示輸入低電平的最高電壓，VOL表示輸出低電平的最高電壓。從表中可以看出5V TTL和3.3V的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)是一樣的，而5V CMOS的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)是不同的。因此，在將3.3V系統(tǒng)與5V系統(tǒng)接口時(shí)，必須考慮到兩者的不同。

3.5 MSP430與5V電平接口的4種情形

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)合，下面考慮4種不同的情況。

(1) 5V TTL器件驅(qū)動(dòng)MSP430。由于5V TTL和3.3V的電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)是一樣的。5V TTL器件輸出的典型值為3.6V。因此，如果3.3V器件能夠承受5V的電壓，則從電平上來(lái)說(shuō)是完全可以直接相連的。但是，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)會(huì)有所不同，因此必須要對(duì)加到MSP430輸入端的電壓進(jìn)行控制，使其不超過(guò)3.6V，以防萬(wàn)一；

(2) MSP430驅(qū)動(dòng)5V TTL器件。由于3.3V 和5V TTL電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)是一樣的，因此不需要額外的器件就可以將二者直接相連。不需要額外的電路直接從MSP430驅(qū)動(dòng)5V的器件，看起來(lái)是不可思議的，但是3.3V器件的VOH和VOL電平分別是2.4V和0.4V，5V TTL器件的VIH 和VIL 電平分別是2V和0.8V。而MSP430 實(shí)際上能輸出3V擺幅的電壓，顯然5V TTL器件能夠正確識(shí)別MSP430的輸入電平；

(3) 5V CMOS器件驅(qū)動(dòng)MSP430。顯然，5V CMOS與3.3V的轉(zhuǎn)換電平是不一樣的。進(jìn)一步分析5V CMOS的VOH 和VOL以及3.3V的VIH 和VIL 的轉(zhuǎn)換電平可以看出，雖然兩者存在一定的差別，但是能夠承受5V電壓的3.3V器件能夠正確識(shí)別5V器件送來(lái)的電平值。所以能夠承受5V電壓的3.3V 器件的輸入端可以直接與5V器件的輸出端接口。但是MSP430沒(méi)有5V容限，不能直接與5V器件的輸出端接口；

(4) MSP430驅(qū)動(dòng)5V CMOS。3.3V與5V CMOS的電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的，從表2中可以看出，3.3V輸出的高電壓的最低電壓值VOH = 2.4V（輸出的最高電壓可以達(dá)到3.3V），而5V CMOS器件要求的高電平最低電壓VIH = 3.5V，因此MSP430的輸出不能直接與5V CMOS器件的輸入相連接。

3.6 3.3V與5V電平轉(zhuǎn)換

由以上分析可知，在5V TTL器件驅(qū)動(dòng)MSP430或者M(jìn)SP430與5V CMOS器件接口時(shí)，二者是不能直接相連的。在這種情況下，必須要經(jīng)過(guò)3.3V與5V電平的相互轉(zhuǎn)換?？梢圆捎秒p電壓（一邊是3.3V，另一邊是5V）供電的雙向驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。如TI的SN74ALVC164245、SN74ALVC4245等芯片，可以較好地解決3.3V與5V電平的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。對(duì)于5V TTL驅(qū)動(dòng)MSP430時(shí)的情況，也可以采用一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法就是電阻分壓，類(lèi)似于如圖2所示的分壓法電源解決方案。

4 MSP430與串口接口問(wèn)題

MSP430系列微控制器都自帶串行通信口，有幾款還有兩個(gè)串口。這樣就方便了與PC機(jī)接口，增強(qiáng)了與外界通信的能力。不過(guò)串口的電平和邏輯關(guān)系與MSP430存在很大的差別。以廣泛應(yīng)用的EIA - RS - 232C標(biāo)準(zhǔn)為例，對(duì)于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯"1"（傳號(hào)）的電平為-3V ~ -15V，邏輯"0"（空號(hào)）的電平為+3V ~ +15V；對(duì)于控制信號(hào)：接通狀態(tài)（ON），即信號(hào)有效的電平為+3V ~ +15V，斷開(kāi)狀態(tài)(OFF)，即信號(hào)無(wú)效的電平為-3V ~ -15V。也就是說(shuō)當(dāng)傳輸電平的絕對(duì)值介于3V ~ 15V時(shí)，認(rèn)為是有效信號(hào)，其它電平均認(rèn)為是無(wú)效的。而MSP430輸出的電平卻在0 ~ 3V左右，因此要想與PC串口接口或者其它帶有串口的終端接口，必須要進(jìn)行EIA-RS-232C與MSP430電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法很多，可用分離元件，也可用集成電路。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，如MC1488、SN75150等芯片可完成TTL電平到串口電平的轉(zhuǎn)換。 MC1489、SN75154可實(shí)現(xiàn)串口電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換。MAX232/MAX232A、MAX3221/MAX3223 等芯片可完成多路3V ~ 5V電平與串口電平的雙向轉(zhuǎn)換。在MSP430與PC串口接口時(shí)，用MAX232A電路比較簡(jiǎn)單（只需外接幾個(gè)電容），而且這款芯片可以實(shí)現(xiàn)兩路變換，價(jià)格也較便宜。

5 結(jié)束語(yǔ)

混合邏輯的設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。對(duì)MSP430來(lái)說(shuō)，它是低電壓、低功耗的芯片。如果與其它芯片的接口設(shè)計(jì)不好，不僅低功耗特性無(wú)法體現(xiàn)，而且有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)，在更壞的情況下，還有可能燒毀芯片，因此要引起足夠的重視。當(dāng)然文中的很多方法也適用于解決其它低電壓芯片的混合邏輯接口問(wèn)題。

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