MSP430混合电压和逻辑系统的设计

2万 · 2013-5-15 23:16

以3.3V为代表的低电压设计已成一个大的趋势，但是目前市场上依然存在很多5V供电的芯片，因此在同一个系统中就不可避免地存在不同供电电压的模块。本文主要阐述了MSP430与非3.3V器件接口时存在的电源电压以及逻辑电平不匹配的问题，分析了产生这些问题的原因，并给出了相应的解决方案。
1. 引言
近年来，半导体制造工艺的不断进步和发展，为便携式电子产品的广泛应用提供了动力和保证。便携式设备要求使用体积小、功耗低、电池耗电小的器件。因低电压器件的成本比传统5V器件更低、功耗更小、性能更优，加上多数器件的I/O脚可以兼容5V/3.3VTTL电平，可以直接使用在原有系统中，所以各大半导体公司都将3.3V、2.5V等低电压集成电路作为推广重点。但是，目前市场上仍有许多5V电源的逻辑器件和数字器件，因此在许多设计中3.3V（含3V）逻辑系统和5V逻辑系统共存，而且不同的电源电压在同一电路板中混用。随着更低电压标准的引进，不同电源电压和不同逻辑电平器件间的接口问题将在很长一段时间内存在。美国TI（TexasInstruments）公司推出的混合信号微控制器MSP430系列，正是这样款低电压（1.8V ~3.6V）、低功耗、高性能的芯片系列。并且它还自带1到2个串行通信口，因此在使用它的过程中就不可避免的要碰到不同电压、电平的接口问题。
2. 电源问题
MSP430系列的典型工作电压是3.3V，而目前一个系统中的主电源电压常常是5V。因此在一个混合系统中首先要解决5V到3.3V的电压转换问题。通常可以采用以下几种办法：
2.1 采用低压差线形稳压芯片（LDO）
线形稳压芯片是一种最简单的电源转换芯片，基本上不要外围元件。但是传统的线形稳压器，如78xx系列都要求输入电压要比输出电压高2V ~3V以上，否则不能正常工作，所以78xx系列已经不能够满足3.3V电源设计要求。面对低电压电源的需求，许多电源芯片公司推出了低压差线形稳压器LDO（Low DropoutRegulator）。这种电源芯片的压差只有1.3V ~0.2V，可以实现5V转3.3V/2.5V，3.3V转2.5V/1.8V等要求。生产LDO的公司很多，常见的有：ALPHA、LT(Linear Technology)、 NI (National semiconductor)、TI等。图1为利用LT1086-3.3完成5V转3.3V/1.5A的应用电路，图中的电容要采用钽电容。有一些LDO芯片还自带有电源管理功能，可以工作在节电模式。

2.2 自己设计开关电源
开关电源也是实现电源转换的一种方法，而且效率很高，但设计要比使用线形稳压器复杂得多。不过对于大电流高功率的设计，建议采用开关电源。例如一个5V转3.3V/5A输出的电路，如用线形稳压器，则稳压器功耗为：(5-3.3)×5 =8.5w，功耗太大，而且必须要加很大的散热片。如采用开关电源，例如LT1530，则效率可以达到85% - 90%，功耗只有2w左右。生产这类芯片的公司也很多，如：MAXIM、LT、NI等。
2.3 直接采用电源模块
考虑到开关电源设计的复杂性，一些公司推出了基于开关电源技术的低电压输出电源模块。这些模块可靠性和效率都很高，电磁辐射小，而且许多模块可以实现电源隔离。用户只需要加很少的外围元件即可使用。电源模块使用方便，但是价格昂贵。常见生产电源模块的公司有：Agere（原来朗讯的微电子部）、Ericsson、Vicor等。国内也有很多公司，如上海衡孚等。
2.4 利用电阻分压
表1 4种电源设计方案比较

比较项目	优点	缺点
低压差线性温压器	所需外部元件数目少，使用方便，成本低，纹波小，无电磁干扰。	效率很低(一般低于70%)，功耗较大，通常要加散热器。
开关电源	效率高(一般大于80%)，输入电压范围较宽，输出功率大，价格比电源模块便宜很多。	设计较复杂，有电磁干扰，需要一定的设计能力。
电源模块	效率高(一般大于85%)，输入电压范围较宽，输出功率大，使用方便，电磁干扰小。	价格昂贵。
电阻分压	结构简单，成本低廉。	电压会随负载而变化，存在着不可靠性，功耗大。

利用电阻分压是最简单的办法，其原理如图2所示。故有：

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显然

，所以实际的输出电压要小于3.33V，并且输出电压会随着负载的变化而有一些波动。这种电路功耗也较大，故而这种方案只能是一种应急措施，不适合于低功耗和对电源要求高的设计。

2.5 四种电源解决方案比较：
到底应该采取何种电源设计方案，取决于我们设计的具体要求。通常小功率或对电源效率要求较低的时候，可以采用LDO。如对效率有较高要求，或电源功率较大，则应该使用开关电源模块或自己设计开关电源。最终是采用电源模块或自己设计开关电源，则取决于成本要求和设计能力。以上几种方法各有所长，各有不足。表1给出了详细的比较情况。MSP430的特点之一是低功耗，因此如果要利用它的这个特点就不能采用电阻分压法。
3 MSP430与5V逻辑器件接口问题
3.1 逻辑电平不同，接口时出现的问题
在混合电压系统中，不同电源电压的逻辑器件互相接口存在以下几个问题：
加到输入和输出引脚上允许的最大电压限制问题。器件对加到输入或者输出脚上的电压通常是有限制的。这些引脚有二极管或者分离元件接到Vcc。如果接入的电压过高，则电流将会通过二极管或者分离元件流向电源。例如在3.3V器件的输入端上加上5V的信号，则5V电源会向3.3V电源充电。持续的电流将会损坏二极管和其它电路元件。
两个电源间电流的互串问题。在等待或者掉电方式时，3.3V电源降落到0V，大电流将流通到地，这使得总线上的高电压被下拉到地，这些情况将引起数据丢失和元件损坏。必须注意的是：不管在3.3V的工作状态还是在0V的等待状态都不允许电流流向Vcc。
接口输入转换门限问题。用5V的器件来驱动3.3V的器件有很多不同的情况，同样TTL和CMOS间的转换电平也存在着不同情况。驱动器必须满足接收器的输入转换电平，并且要有足够的容限以保证不损坏电路元件。
3.2 输入端ESD保护电路
为了说清楚为什么3.3V器件可以有5V的输入容限，首先介绍逻辑电路输入端的静电放电（ESD）保护电路的工作原理。实际上数字电路的所有输入端都有一个ESD保护电路，如图3所示。传统的CMOS电路通过接地二极管D1和D2对负向高电压限幅而实现保护，正向高电压则由二极管D3钳位。这种电路的缺点是为了防止电流流向Vcc电源，最大的输入电压被限制在Vcc+0.5V（二极管压降）。大多数5V系统输出端的电压可达3.6V以上，因此采用了这种电路结构的3.3V器件是不能与5V器件输出端直接接口的。

有些3.3V系统电路可以使用两个MOS场效应管或者晶体管T1、T2代替图3（a）中D1、D2二极管，如图3（b）所示。T1、T2的作用相当于快速齐纳二极管对高电压限幅。由于去掉了接到Vcc的二极管D3，因此最大输入电压不受Vcc的限制。典型情况下，这种电路的击穿电压在7V~ 10V之间。因此，这种改进后具有ESD保护电路的3.3V系统的输入端可以承受5V的输入电压。
3.3 CMOS器件输出端保护电路
当3.3V系统与5V系统直接接口时，在3.3V器件的输出端可能存在"电流倒灌"问题。图4（a）是CMOS器件输出端电路的简化形式。当输出端电压高于Vcc+0.5V时，P沟道MOS场效应管T1的内部二极管D1会形成一条从输出端到Vcc的电流通路。所以对于3.3V的这种CMOS电路与5V器件相连时需要加保护电路。

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图4（b）是一种带保护电路的CMOS器件输出电路。当加到输出端电压高于Vcc时，比较器使S1开路，S2闭合，则电流通路消失，这样在三态方式时就能与5V器件相连。
表2 5V CMOS、5V TTL和3.3V TTL电平转换单位：（V）

比较项目	GND	VOL	VIL	Vt	VIH	VOH	Vcc
5V CMOS	0	0.5	1.5	2.5	3.5	4.44	5
5V TTL	0	0.4	0.8	1.5	2	2.4	5
3.3V TTL，LVC，ALVT等	0	0.4	0.8	1.5	2	2.4	3.3

3.4 各种电平的转换标准
MSP430系列的供电电压为1.8V ~3.6V，通常取典型电压为3.3V，所以I/O口的最大逻辑电平也是3.3V。在进行MSP430微控制器设计时，除了控制器本身还有很多外围的模块和芯片。比如RAM、LCD、串口以及常用的74系列芯片等。如果外围芯片或者模块的工作电压也是3.3V，那么就可以直接接口。但是，由于现在很多芯片的工作电压都是5V，如EPROM、SRAM、诸多74系列芯片等。因此就存在一个如何将3.3VMSP430与这些5V芯片或模块可靠接口的问题。表2所示为5V CMOS、5V TTL和3.3 V电平的转换标准。其中，VOH表示输出高电平的最低电压，VIH表示输入高电平的最低电压，VIL表示输入低电平的最高电压，VOL表示输出低电平的最高电压。从表中可以看出5V TTL和3.3V的转换标准是一样的，而5V CMOS的转换标准是不同的。因此，在将3.3V系统与5V系统接口时，必须考虑到两者的不同。
3.5 MSP430与5V电平接口的4种情形
根据实际应用的场合，下面考虑4种不同的情况。
(1) 5V TTL器件驱动MSP430。由于5V TTL和3.3V的电平转换标准是一样的。5VTTL器件输出的典型值为3.6V。因此，如果3.3V器件能够承受5V的电压，则从电平上来说是完全可以直接相连的。但是，因为驱动器结构会有所不同，因此必须要对加到MSP430输入端的电压进行控制，使其不超过3.6V，以防万一；
(2)       MSP430驱动5V TTL器件。由于3.3V 和5V TTL电平转换标准是一样的，因此不需要额外的器件就可以将二者直接相连。不需要额外的电路直接从MSP430驱动5V的器件，看起来是不可思议的，但是3.3V器件的VOH和VOL电平分别是2.4V和0.4V，5V TTL器件的VIH 和VIL 电平分别是2V和0.8V。而MSP430 实际上能输出3V摆幅的电压，显然5V TTL器件能够正确识别MSP430的输入电平；
(3)       5V CMOS器件驱动MSP430。显然，5V CMOS与3.3V的转换电平是不一样的。进一步分析5V CMOS的VOH 和VOL以及3.3V的VIH 和VIL 的转换电平可以看出，虽然两者存在一定的差别，但是能够承受5V电压的3.3V器件能够正确识别5V器件送来的电平值。所以能够承受5V电压的3.3V 器件的输入端可以直接与5V器件的输出端接口。但是MSP430没有5V容限，不能直接与5V器件的输出端接口；
(4)       MSP430驱动5V CMOS。3.3V与5V CMOS的电平转换标准是不一样的，从表2中可以看出，3.3V输出的高电压的最低电压值VOH = 2.4V（输出的最高电压可以达到3.3V），而5V CMOS器件要求的高电平最低电压VIH = 3.5V，因此MSP430的输出不能直接与5V CMOS器件的输入相连接。
3.6 3.3V与5V电平转换
由以上分析可知，在5V TTL器件驱动MSP430或者MSP430与5VCMOS器件接口时，二者是不能直接相连的。在这种情况下，必须要经过3.3V与5V电平的相互转换。可以采用双电压（一边是3.3V，另一边是5V）供电的双向驱动器来实现电平转换。如TI的SN74ALVC164245、SN74ALVC4245等芯片，可以较好地解决3.3V与5V电平的转换问题。对于5V TTL驱动MSP430时的情况，也可以采用一个简单的办法就是电阻分压，类似于如图2所示的分压法电源解决方案。

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4 MSP430与串口接口问题
MSP430系列微控制器都自带串行通信口，有几款还有两个串口。这样就方便了与PC机接口，增强了与外界通信的能力。不过串口的电平和逻辑关系与MSP430存在很大的差别。以广泛应用的EIA - RS - 232C标准为例，对于数据（信息码）：逻辑"1"（传号）的电平为-3V ~-15V，逻辑"0"（空号）的电平为+3V ~ +15V；对于控制信号：接通状态（ON），即信号有效的电平为+3V ~+15V，断开状态(OFF)，即信号无效的电平为-3V ~ -15V。也就是说当传输电平的绝对值介于3V ~15V时，认为是有效信号，其它电平均认为是无效的。而MSP430输出的电平却在0 ~3V左右，因此要想与PC串口接口或者其它带有串口的终端接口，必须要进行EIA-RS-232C与MSP430电平和逻辑关系的转换。实现这种变换的方法很多，可用分离元件，也可用集成电路。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150等芯片可完成TTL电平到串口电平的转换。MC1489、SN75154可实现串口电平到TTL电平的转换。MAX232/MAX232A、MAX3221/MAX3223等芯片可完成多路3V ~5V电平与串口电平的双向转换。在MSP430与PC串口接口时，用MAX232A电路比较简单（只需外接几个电容），而且这款芯片可以实现两路变换，价格也较便宜。
5 结束语
混合逻辑的设计是一个比较复杂的问题。对MSP430来说，它是低电压、低功耗的芯片。如果与其它芯片的接口设计不好，不仅低功耗特性无法体现，而且有可能导致数据传输出错，在更坏的情况下，还有可能烧毁芯片，因此要引起足够的重视。当然文中的很多方法也适用于解决其它低电压芯片的混合逻辑接口问题。