【導讀】在總線通信中，總線設備中的MCU需要連接一個總線收發(fā)器接入到總線網(wǎng)絡中，如果MCU的供電電壓與收發(fā)器電壓不匹配時，會出現(xiàn)什么情況？本文將以CAN總線為例從接口電平的角度為你解析電平匹配的重要性。
CMOS電平
現(xiàn)大部分數(shù)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系統(tǒng)為例，相應的接口參數(shù)如表1。
表1 不同供電下的電平要求
注：表中數(shù)據(jù)僅為計算參考值，器件實際參數(shù)需參考相應的數(shù)據(jù)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)必須高于接收器輸入的VIH(MIN)。
● 驅動器輸出的VOL(MAX)必須低于接收器輸入的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(xiàn)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器件輸出的高電平被正確識別。由于器件設計有一定余量，在測試時可能仍可正常工作，但存在風險，如出現(xiàn)器件電壓波動時，就會出現(xiàn)問題。
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于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(fā)器選型
以CTM1051(A)M系列產(chǎn)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(chǎn)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
客戶使用于我司一款隔離CAN收發(fā)器模塊，已經(jīng)大批量出貨，但應用中出現(xiàn)個別異常現(xiàn)象。異常產(chǎn)品表現(xiàn)為CAN總線間歇性通訊故障。當產(chǎn)品處于高溫環(huán)境時（如65℃），對其進行重復上電，可復現(xiàn)通訊故障現(xiàn)象。
1、復現(xiàn)異常
將異常品置于65℃的烤箱中，并對以下信號進行測試：MCU供電、TXD、CAN差分、CAN模塊供電。未出現(xiàn)異常時，各點波形如圖4。可以看到，MCU是3.3V供電，電壓穩(wěn)定在3.2V左右，CAN模塊供電穩(wěn)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
對異常板卡進行重復上電，CAN總線出現(xiàn)大量錯誤幀，問題復現(xiàn)。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(xiàn)波動，并出現(xiàn)異常位。異常位出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)TXD變?yōu)楦唠娖綍r，CAN差分電平并未跟隨變化，而當TXD再次出現(xiàn)一個小的噪聲尖峰時，CAN差分電平才變?yōu)殡[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(shù)據(jù)如表3。
表3 異常品TXD高電平閥值電壓
從測試數(shù)據(jù)看出，在不同的環(huán)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(xiàn)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(xiàn)噪聲尖峰時，使TXD短時間高于3.17V，觸發(fā)CAN模塊內部切換，總線差分信號發(fā)生變化。
此處驗證了上文的猜測，確定故障發(fā)生原因為：高溫上電時，MCU、CAN模塊供電電壓出現(xiàn)波動，CAN模塊的TXD引腳無法識別MCU發(fā)生的高電平信號，導致錯誤幀持續(xù)出現(xiàn)，造成CAN通信中斷。
3、解決方案
更換為電平匹配的隔離模塊后（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，均已恢復正常幅值，通訊無異常。
圖7 更換模塊后的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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