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基于使用 STM32 TT 类型 IO 的注意事项经验分享

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STMCU小助手 发布时间:2023-11-26 15:54
01概述
. O/ W0 m6 t9 C' {. N+ x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。
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02 TT 和 FT IO 的结构和参数区别
; ^2 d( e/ d( ]  h! i: G: Y2 }3 f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。1 l/ l/ n" A9 y0 i7 _8 h

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1 f3 E, Y: s* y5 K  Y% Q- W2.1. TT 和 FT IO 的结构区别4 W( y: P* |7 ?* }1 W& K3 f
下面的图 1 描述了 TT 和 FT IO 的通用结构:) j7 ~4 ~% _4 o" c; O0 D

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图1.TT/FT IO 的内部结构
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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。
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7 T( j9 E' r6 A, U+ f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。8 J" z) @9 r  M. [7 A6 r% l

7 j; A1 d. o5 f* \) ^2.2. 结构不同导致对电平和电流的不同要求! Y  Z/ K5 `: [) w5 c* _
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。
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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。
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$ K. i% M- j! D! ?# w3 I! z& K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。 5 [6 t; Z* m) G" z# T
. h0 R# H* r, u
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。
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2 A* U& {$ Y0 D1 L9 \) 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。
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4 O$ Z  N' E7 j/ f6 ?! g2.3. STM32 datasheet 中相关参数说明
% h2 h! a; a! p. `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:
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微信图片_20231126155417.jpg
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图2.IO 对输入信号电压的要求

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3 q! F$ F$ _) T% I# S( G5 k5 u$ L
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:. }9 J/ s. V5 h$ L* d* C7 [
微信图片_20231126155202.jpg
5 G; Y0 Q: p5 g) [
图3. IO 对电流方面的要求
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2 X& f( C; |- ^: c) Q  k7 h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。 ( @, i0 I+ s) w" ~7 Q; p# S. _

/ D6 P1 \$ p( A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。
! C# R$ r3 b$ V: g. I0 h* c( O! ^1 ^" O* H4 G
03 TT IO 的注意事项
5 y# d7 L8 o2 A* p4 g/ o- q# D
. H+ l: Q) M" n8 G5 M; O/ H0 Z" F* G
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。
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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。 - r1 D* m9 j8 r2 w" w
6 R8 d9 p0 o1 r* R1 m
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。 # E% N6 ~  M* W' D  i- X" N

! m! O& Q; e9 S1 \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。 ' b# K6 x6 y* P1 i4 r% C4 @6 C0 l

: W2 z# @6 D. v3 @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。
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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。
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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。; B4 T. ?  Q0 Q) E* z
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04小结) f5 X) I, H6 g, N& e
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。
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8 S5 H9 @$ d. r4 w  H4 ]0 vTT 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。
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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。* }1 E  N6 }! f! w
. V& \4 l5 c% R, {, j/ k% q& S
转载自: STM32单片机  y% [( ?* e- z; _! J# N! p
如有侵权请联系删除6 V- M2 m4 S% ~. }9 e, G

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