MSP430混合電壓和邏輯系統(tǒng)的設(shè)計

1. 引言

近年來，半導(dǎo)體制造工藝的不斷進步和發(fā)展，為便攜式電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用提供了動力和保證。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。但是，目前市場上仍有許多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。隨著更低電壓標準的引進，不同電源電壓和不同邏輯電平器件間的接口問題將在很長一段時間內(nèi)存在。美國TI（Texas Instruments）公司推出的混合信號微控制器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個串行通信口，因此在使用它的過程中就不可避免的要碰到不同電壓、電平的接口問題。

2. 電源問題

MSP430系列的典型工作電壓是3.3V，而目前一個系統(tǒng)中的主電源電壓常常是5V。因此在一個混合系統(tǒng)中首先要解決5V到3.3V的電壓轉(zhuǎn)換問題。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)計要求。面對低電壓電源的需求，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)計開關(guān)電源

開關(guān)電源也是實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換的一種方法，而且效率很高，但設(shè)計要比使用線形穩(wěn)壓器復(fù)雜得多。不過對于大電流高功率的設(shè)計，建議采用開關(guān)電源。例如一個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。如采用開關(guān)電源，例如LT1530，則效率可以達到85% - 90%，功耗只有2w左右。生產(chǎn)這類芯片的公司也很多，如：MAXIM、LT、NI等。

2.3 直接采用電源模塊

考慮到開關(guān)電源設(shè)計的復(fù)雜性，一些公司推出了基于開關(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，但是價格昂貴。常見生產(chǎn)電源模塊的公司有：Agere（原來朗訊的微電子部）、Ericsson、Vicor等。國內(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)計方案，取決于我們設(shè)計的具體要求。通常小功率或?qū)﹄娫葱室筝^低的時候，可以采用LDO。如對效率有較高要求，或電源功率較大，則應(yīng)該使用開關(guān)電源模塊或自己設(shè)計開關(guān)電源。最終是采用電源模塊或自己設(shè)計開關(guān)電源，則取決于成本要求和設(shè)計能力。以上幾種方法各有所長，各有不足。表1給出了詳細的比較情況。MSP430的特點之一是低功耗，因此如果要利用它的這個特點就不能采用電阻分壓法。

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3 MSP430與5V邏輯器件接口問題

3.1 邏輯電平不同，接口時出現(xiàn)的問題

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問題：

加到輸入和輸出引腳上允許的最大電壓限制問題。器件對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。如果接入的電壓過高，則電流將會通過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，則5V電源會向3.3V電源充電。持續(xù)的電流將會損壞二極管和其它電路元件。

兩個電源間電流的互串問題。在等待或者掉電方式時，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)換門限問題。用5V的器件來驅(qū)動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保護電路

為了說清楚為什么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）保護電路的工作原理。實際上數(shù)字電路的所有輸入端都有一個ESD保護電路，如圖3所示。傳統(tǒng)的CMOS電路通過接地二極管D1和D2對負向高電壓限幅而實現(xiàn)保護，正向高電壓則由二極管D3鉗位。這種電路的缺點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MOS場效應(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的作用相當于快速齊納二極管對高電壓限幅。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，這種改進后具有ESD保護電路的3.3V系統(tǒng)的輸入端可以承受5V的輸入電壓。

3.3 CMOS器件輸出端保護電路

當3.3V系統(tǒng)與5V系統(tǒng)直接接口時，在 3.3V器件的輸出端可能存在"電流倒灌"問題。圖4（a）是CMOS器件輸出端電路的簡化形式。當輸出端電壓高于Vcc+0.5V時，P溝道MOS場效應(yīng)管T1的內(nèi)部二極管D1會形成一條從輸出端到Vcc的電流通路。所以對于3.3V的這種CMOS電路與 5V器件相連時需要加保護電路。

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3.4 各種電平的轉(zhuǎn)換標準

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。在進行MSP430微控制器設(shè)計時，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。因此就存在一個如何將3.3V MSP430與這些5V芯片或模塊可靠接口的問題。表2所示為5V CMOS、5V TTL和3.3 V電平的轉(zhuǎn)換標準。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)換標準是一樣的，而5V CMOS的轉(zhuǎn)換標準是不同的。因此，在將3.3V系統(tǒng)與5V系統(tǒng)接口時，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)實際應(yīng)用的場合，下面考慮4種不同的情況。

(1) 5V TTL器件驅(qū)動MSP430。由于5V TTL和3.3V的電平轉(zhuǎn)換標準是一樣的。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，則從電平上來說是完全可以直接相連的。但是，因為驅(qū)動器結(jié)構(gòu)會有所不同，因此必須要對加到MSP430輸入端的電壓進行控制，使其不超過3.6V，以防萬一；

(2) MSP430驅(qū)動5V TTL器件。由于3.3V 和5V TTL電平轉(zhuǎn)換標準是一樣的，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5V的器件，看起來是不可思議的，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 實際上能輸出3V擺幅的電壓，顯然5V TTL器件能夠正確識別MSP430的輸入電平；

(3) 5V CMOS器件驅(qū)動MSP430。顯然，5V CMOS與3.3V的轉(zhuǎn)換電平是不一樣的。進一步分析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器件能夠正確識別5V器件送來的電平值。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沒有5V容限，不能直接與5V器件的輸出端接口；

(4) MSP430驅(qū)動5V CMOS。3.3V與5V CMOS的電平轉(zhuǎn)換標準是不一樣的，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MSP430或者MSP430與5V CMOS器件接口時，二者是不能直接相連的。在這種情況下，必須要經(jīng)過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)動器來實現(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)換問題。對于5V TTL驅(qū)動MSP430時的情況，也可以采用一個簡單的辦法就是電阻分壓，類似于如圖2所示的分壓法電源解決方案。

4 MSP430與串口接口問題

MSP430系列微控制器都自帶串行通信口，有幾款還有兩個串口。這樣就方便了與PC機接口，增強了與外界通信的能力。不過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標準為例，對于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯"1"（傳號）的電平為-3V ~ -15V，邏輯"0"（空號）的電平為+3V ~ +15V；對于控制信號：接通狀態(tài)（ON），即信號有效的電平為+3V ~ +15V，斷開狀態(tài)(OFF)，即信號無效的電平為-3V ~ -15V。也就是說當傳輸電平的絕對值介于3V ~ 15V時，認為是有效信號，其它電平均認為是無效的。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，必須要進行EIA-RS-232C與MSP430電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換。實現(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，用MAX232A電路比較簡單（只需外接幾個電容），而且這款芯片可以實現(xiàn)兩路變換，價格也較便宜。

5 結(jié)束語

混合邏輯的設(shè)計是一個比較復(fù)雜的問題。對MSP430來說，它是低電壓、低功耗的芯片。如果與其它芯片的接口設(shè)計不好，不僅低功耗特性無法體現(xiàn)，而且有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸出錯，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題。

參考文獻
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