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導讀

在電路設計中，電平匹配是一個基本要求，但常常被忽視，可能導致設備故障和通信異常。本文我們將揭示如何避免因電平不匹配導致的設備故障，并提供實用的設計建議，確保您的電路設計既高效又穩定。

電平匹配是進行電路設計時的一個基本要求，但有時候卻很容易被忽略，特別是沒有仔細查看外設或者芯片規格書的時候，根據以往經驗來設計，帶來了一些問題。這類問題只要在設計的時候稍加檢查就能被發現，下面的案例1和案例2都是因為沒有仔細看CAN隔離模塊的電氣特性引起的設計錯誤，其中案例2問題比較隱蔽，還涉及到不同溫度下電氣特性的變化：

MR6450外接5V CAN收發器，工作異常；

使用CAN收發器出現偶發性工作異常。

電平匹配在新處理器系統設計時越來越值得注意，現在很多處理器都分多個電平域，有的IO是3.3V，有的是1.8V。電平不匹配會工作不正常，還會帶來損壞IO的危險，例如產生電流倒灌而損傷IO口。

I2C電平匹配也是一個經常遇到的問題，下面我們將給出兩種不同方案供參考。

?TTL和CMOS電平參數定義

我們先看下TTL、CMOS邏輯電平參數定義，參考圖1。

圖1 TTL和CMOS邏輯電平定義

不同邏輯電平的兩個器件要想實現信號可靠傳輸的前提條件：

驅動器輸出的VOH(MIN)必須大于或等于接收器輸入的VIH(MIN)。

驅動器輸出的VOL(MAX)必須小于或等于接收器輸入的VIL(MAX)。

驅動器輸出的電壓不得超過接收器輸入的I/O電壓容差。

?案例1：MR6450的UART腳接到了5V的收發器

某客戶使用我司MR6450-L核心板通過UART通訊方式外接RS485模塊，無法正常工作，與客戶溝通后了解到客戶使用的RS485模塊邏輯電平為5V。

MR6450核心板處理器為先楫HPM6450，其IO 3.3V邏輯電平定義如圖2所示。

圖2 MR6450IO3.3V邏輯電平定義

RS485模塊5V邏輯電平定義如圖3所示。

圖3 RS485模塊5V邏輯電平定義

由此可知HPM6450 TX信號輸出的高電平最大值為VCC-0.1V=3.2V , 而5V RS485模塊TXD輸入高電平的最小值為5*0.7=3.5V，很明顯不滿足驅動器輸出的VOH必須大于或等于接收器輸入的VIH(MIN)這一必要條件，IO口邏輯電平不匹配，從而導致兩個模塊間無法通訊。

解決方案：選型3.3V 邏輯電平的RS485模塊，或MCU和模塊間增加電平轉換電路。

?案例2：CAN隔離模塊電平與處理器不匹配，工作時偶爾出現間歇性通訊故障

具體表現為客戶使用我司一款隔離CAN收發器模塊，常溫下偶爾出現個別產品間歇性通訊故障，將異常產品置于高溫環境下（65℃）進行重復上電測試，可復現異常現象。

常溫下，測試異常產品的以下信號：MCU供電、TXD、CAN差分、CAN模塊供電，正常時各點波形如圖4所示。

圖4 正常時MCU、CAN差分信號、CAN模塊供電電平波形

進一步進行高溫實驗。將異常產品置于65℃的烤箱中，并進行重復上電，測試以下信號：MCU供電、TXD、CAN差分、CAN模塊供電，異常時各點波形如圖5、圖6所示。

圖5 異常時MCU、CAN差分信號、CAN模塊供電電平波形

圖6 異常時CAN差分信號、CAN模塊供電電平波形

分析CAN總線出現異常位寬時的波形。當TXD信號由低變高時CAN總線電平仍然維持顯性電平，在偶然間疊加線路板上noise后引起TXD電平略微變大。此時CAN總線電平概率性變為隱性電平。

高溫環境下，因半導體材料的特性有可能會導致整個系統的功耗有所增加。此案例呈現的現象為MCU供電電壓下降，CAN模塊供電電壓上升，進一步影響到兩模塊的邏輯電平，從而使異常現象變得更為明顯。實測CAN模塊不同電壓和溫度環境下，TXD高電平閾值的變化如圖7所示。

圖7 CAN模塊不同電壓和溫度環境下，TXD高電平閾值的變化問題根因：高溫65°C環境下，CAN模塊供電5.19V，對應的TXD高電平閾值約為3.17V，MCU供電3.08V，對應的IO輸出電壓最高約為3V，MCU輸出的VOH低于CAN模塊的輸入VIH，兩模塊間邏輯電平不匹配，導致通訊異常，因IO口電平邏輯的容錯余量比較小，常溫下也許能工作，但在高溫環境等比較嚴格的環境下，兩模塊間的邏輯電平很容易出現不匹配問題。解決方案：將5V隔離模塊更換成3.3V隔離模塊。

?如果I2C電平不匹配該怎么處理？

1. 使用專用的I2C總線電平轉換芯片PCA9306

PCA9306是一款支持I2C總線和SMBus的雙向電平轉換器，支持從1.0V～3.6V（Vref(1)）到1.8V～5.5V（Vbias(ref)(2)）的電平轉換，PCA9306可工作在兩種工作頻率下：400KHz和100KHz。最大頻率取決于RC時間常數，一般支持>2MHz。

PCA9306標準使用電路如圖8所示。