STMCU小助手
发布时间:2023-11-26 15:54
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01概述, [7 C/ S8 e5 B( [' a0 i 在 STM32 系列 MCU 中, 除了一些特殊管脚外,绝大多数管脚都可以分类为 FT (兼容5V 信号)或 TT(兼容 3V3 信号)类型的 IO,由于 MCU 内部设计的不同, TT IO 相比 5V IO 有更多的限制,下面我们将予以说明。8 Q# N3 _- v- b0 a, i* S; b, C+ N " R- L: E, w4 D7 p8 N 02 TT 和 FT IO 的结构和参数区别 下面我们解释 TT 和 FT IO 的不同内部结构以及因此导致的对输入电压和电流的不同限制要求。 ' g2 F, U- `/ \" O+ w) V5 W: [ 2.1. TT 和 FT IO 的结构区别 下面的图 1 描述了 TT 和 FT IO 的通用结构: 2 }. D5 Q1 n8 ?8 e
图1.TT/FT IO 的内部结构 TT 和 FT IO 的内部结构在 IO 端口的保护电路 (IO 到 VSS 二极管以及 ESD 保护单元),输出 BUFFER,数字控制单元以及模拟单元都是相同的。4 I9 i- v( w% O2 e! N" Q" i+ u8 B # A5 e. H( K8 N: U0 n" j, \ 区别在于, 对于 FT IO 来说,从 IO 输入到模拟单元之间存在一个模拟开关,只有在软件控制相关寄存器后这个开关才会闭合. 而对 TT IO 来说, 这一模拟开关是不存在的,IO 管脚与模拟单元直接相连。- Q8 w6 G3 Z: P& m2 ~ G$ S* l( D* Y! ]; T4 k 2.2. 结构不同导致对电平和电流的不同要求 从图 1 结构图中可以看到, 在 IO 内部的模拟单元中存在一个输入信号到 VDDA 寄生二极管和相串联的电阻,该二极管是寄生的,因此其电流能力是无法保证的,不但不能用做模拟输入信号的钳位二极管,而且还要避免任何从输入信号到 VDDA 的注入电流的产生, 否则可能导致内部相关电路的损坏。 " E9 [$ J. P5 b5 h6 I; g 因此对于 FT IO 的数字输入信号来说, 由于模拟开关被断开, 输入的信号即使高于VDDA 也不会导致模拟单元中寄生二极管电流的产生,在 VDD+4V 的范围内, IO 是安全的。 ( Z( z9 w4 @& d) l, N3 u" \9 [ 如果 FT IO 被配置为模拟输入,模拟开关闭合, 那么它就不再是兼容 5V 的 IO 了,输入信号的幅度必须小于 VDDA+0.3V。 # M* W" a. c5 |. m) @, t+ I 对于 TT IO 来说,由于不存在到模拟单元的模拟开关,模拟单元的寄生二极管和 IO 口是直接相连的,因此,在任何时候都必须保证加到 TT IO 端口的信号电平小于VDDA+0.3V。 8 W, h {8 A) f! I1 f- Q$ j 9 V& [0 v! f9 `9 Y8 n 另外需要补充的是,如果 IO 输入信号可能存在负电平,尽管 TT 和 FT 类型的 IO 都在端口处设计有到 VSS 的二极管,这一二极管提供了一定的钳位保护能力,但是其通过电流能力限制在 5mA 以下。因此,外部钳位二极管通常仍然是必须的,如果不能通过外部钳位二极管将输出负电平信号限制在大于 -0.3V, 那么就需要串联限流电阻将流经二极管的负注入电流限制在 5mA 以下。0 E$ ^" _0 F8 g1 C r/ h$ y& f# J/ e+ W 2.3. STM32 datasheet 中相关参数说明 在 STM32 的 datasheet 中对 IO 端口的电压和注入电流的要求有限制, 以STM32G474 为例, 在 Absolute maximum ratings 章节中, IO 对输入信号电压的要求如下: ' L3 {6 {, ] h, H' ?( U
图2.IO 对输入信号电压的要求 2 E# [ e4 c: O# ^+ I2 w! w) N8 w( h; X4 t& W6 R" U9 w/ s: H7 z 很多人注意到了电压要求,认为只要加在 FT IO 的信号电平不超过 VDD+4V, 加在TT IO 的电平不超过 4V 都是安全的, 但是忽视了 IO 对工作电流和注入电流也有要求, 电流方面的要求也必须得到满足, 具体如下:# B {* h8 m9 p
图3. IO 对电流方面的要求 可以看到, IO 对注入电流同样有着限制,在-5mA 到 0 之间,超出这一范围仍然可能造成 IO 的损坏。 5 O3 b" }+ V0 M- x" n8 u! w R% T: a- f6 `+ y7 c' ~9 d( Y 对于 STM32 的使用来说, 电平和电流方面的限制必须都得到满足。4 `- o3 Z1 ^; w) l; S6 S7 i0 a 3 l, r# |9 b; A9 V 03 TT IO 的注意事项 , s4 @* C/ F: Z p- u3 u 使用者对加在 IO 的电平幅度限制一般都能遵守,但是对于 IO 电流特别是注入电流的严格限制往往被一些使用者忽视,然而实际上, IO 对注入电流的限制往往对加在 IO 管脚的信号电平提出了更高的要求。) @! ~8 Y, f; m 对于 FT 类型 IO 来说, 只要信号电压在使用的合理范围内,正的注入电流是不可能产生的。 对于 TT 类型 IO 来说, 超过 VDDA+0.3V 的信号电压都有可能产生 大于 0mA 的正向注入电流,这个电流流过芯片内部参数没有保证的模拟单元寄生二极管,从而可能导致电路损伤。 " s3 w6 K" |5 ~ 因此对 TT IO 的电平 小于 VDDA+0.3V 的限制在任何场景下都必须满足。 一个常被忽视的场景是系统上电时, 在 STM32 的供电系统还没有建立时, STM32 的IO 信号已经加在了 IO 管脚,例如某些电源或电机应用中对母线电压的检测,通常用分压电阻将母线电压分在 1V~2V 之间后连接到 STM32 的某一 ADC 采样输入 IO,通常这一分压电压到达 IO 比 VDD 建立更早。如果这一 IO 是 FT 类型的, 那么 IO 的信号电平始终能满足 小于 VDD+4V 的要求, 不管 VDD=0V 或 3V3。但是假如这一信号所接的是 TT 类型的 IO, 那么在 VDD=0 或低电平时, 母线电压分压后的电平将超过 VDDA+0.3V 的限制,带来芯片损坏的可能。 + O5 k) J" J. P ^5 H3 E) v 为了避免 TT IO 损坏,在系统上电,下电或工作的整个过程中, 必须始终满足 TT IO 端口电平 小于 VDDA+0.3V 的要求. 当 TT IO 的信号电平可能超过 VDDA+0.3V 时, 钳位保护电路是必须的。, ]; x+ W, m" ^8 m & d/ w" Q- ~9 m4 U7 ?$ I4 J 在上述母线电压检测的案例中, 如果这一检测管脚不得不使用 TT IO, 那么一个从信号到 VDDA (或同电位的其它电源)的钳位二极管将可以防止 VDD=0 等场景下信号电平超范围的可能。6 g: W: F2 U9 r1 D% E 04小结5 W0 W% z: E+ ] J9 w0 @ 在 IO 管脚的使用中, 电平限制和电流包括注入电流的限制必须同时得到满足。 5 a( j) j9 D# j; _ 8 h1 [' l1 v! Q1 X- O; P" Y TT IO 由于内部结构的原因,更容易产生正的注入电流而给 IO 带来损坏。注入电流的限制给 IO 端口的信号电平带来了更严格的要求。 : R. s V# A9 c& k 在使用中, 必须考虑信号电平的时序,确保在任何场景下 TT IO 的信号电平满足小于VDDA+0.3V 的要求, 必要时可以通过钳位电路来达到这一目的。 5 d8 L L6 ~' S D 转载自: STM32单片机 如有侵权请联系删除 ( t; b* E6 ?( g ! Q$ H' ]1 @/ V) a |
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