MSP430混合电压和逻辑系统的设计

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/3.3V TTL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（Texas Instruments）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 Dropout Regulator）。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



利用电阻分压是最简单的办法，其原理如图2所示。故有：



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。