可能被忽视的总线收发器接口电平问题

在总线通信中，总线设备中的mcu需要连接一个总线收发器接入到总线网络中，如果mcu的供电电压与收发器电压不匹配时，会出现什么情况？本文将以can总线为例从接口电平的角度为你解析电平匹配的重要性。
cmos电平
现大部分数字集成电路采用的是cmos工艺，其接口的电平大致符合如下定义：
vil0.7vcc；
vol0.9vcc。
以常见的5v、3.3v系统为例，相应的接口参数如表1。
表1不同供电下的电平要求
注：表中数据仅为计算参考值，器件实际参数需参考相应的数据手册。
电平不匹配
为了确保两个器件的信号可靠传输，必须保证：
驱动器输出的voh(min)必须高于接收器输入的vih(min)。
驱动器输出的vol(max)必须低于接收器输入的vil(max)。
驱动器输出的输出电压不得超过接收器输入的i/o电压容差。
当两个cmos器件连接在一起时，若供电电压一致，信号传输不存在问题。若两个器件供电电压不一致，则会存在电平不匹配问题。
以3.3v器件与5v器件连接为例，会出现以下两个问题：
5v器件输入引脚可能无法识别3.3v器件输出的高电平
如图1，3.3v器件输出voh最大值3.3v也无法达到5v器件vih的最小值3.5v，无法保证3.3v器件输出的高电平被正确识别。由于器件设计有一定余量，在测试时可能仍可正常工作，但存在风险，如出现器件电压波动时，就会出现问题。
图13.3v器件输出，5v信号输入
5v器件输出高电平可能损坏3.3v器件输入接口。
如图2，5v器件输出高电平信号远高于3.3v，若3.3v器件输入引脚不支持5v电平输入，则工作时会有电流灌入3.3v器件，严重会造成器件损坏。
图25v信号输出，3.3v信号输入
隔离收发器选型
以ctm1051(a)m系列产品为例，其内部采用的cmos技术的芯片，引脚电平如图3，符合cmos电平标准。在选型时，应该针对不同的mcu选择相应型号，才能杜绝因电平不匹配产生问题，若mcu为5v供电，应选择ctm1051m；若mcu为3.3v供电，则选择ctm1051am。
图3ctm1051(a)m引脚电平
实际案例
客户使用于我司一款隔离can收发器模块，已经大批量出货，但应用中出现个别异常现象。异常产品表现为can总线间歇性通讯故障。当产品处于高温环境时（如65℃），对其进行重复上电，可复现通讯故障现象。
1、复现异常
将异常品置于65℃的烤箱中，并对以下信号进行测试：mcu供电、txd、can差分、can模块供电。未出现异常时，各点波形如图4。可以看到，mcu是3.3v供电，电压稳定在3.2v左右，can模块供电稳定在5.07v左右，can差分波形与txd信号对应无异常。
图4正常时波形
对异常板卡进行重复上电，can总线出现大量错误帧，问题复现。异常时，各点波形如图5，mcu供电电压、can模块供电电压同时出现波动，并出现异常位。异常位出现时，mcu供电下降到3.08v，can模块供电上升至5.19v。
图5异常时波形
仔细观察异常位波形，如图6，发现txd变为高电平时，can差分电平并未跟随变化，而当txd再次出现一个小的噪声尖峰时，can差分电平才变为隐性电平。结合此时mcu供电电压下降，can模块供电反而上升的情况，初步确定问题是因供电电压波动，造成txd高电平无法识别导致。
图6异常位波形
2、问题定位
因怀疑txd电平无法识别，对can模块的txd高电平阀值电压值进行测试。不同输入电压下，测试数据如表3。
表3异常品txd高电平阀值电压
从测试数据看出，在不同的环境温度下，txd高电平阀值电压变化均不大。4.75v供电时，阀值约2.91v；5v供电时，阀值约3.06v；5.25v供电时，阀值约3.2v。
如图5，异常位出现时，can模块的供电为5.19v，此时txd高电平阀值应该约为3.17v，而mcu的供电仅为3.08v，io输出电压无法达到3.17v，故无法识别高电平。当txd出现噪声尖峰时，使txd短时间高于3.17v，触发can模块内部切换，总线差分信号发生变化。
此处验证了上文的猜测，确定故障发生原因为：高温上电时，mcu、can模块供电电压出现波动，can模块的txd引脚无法识别mcu发生的高电平信号，导致错误帧持续出现，造成can通信中断。
3、解决方案
更换为电平匹配的隔离模块后（由5v隔离模块更换成3.3v隔离模块），txd高电平阀值电压及can总线通讯电平幅值如下图7所示，均已恢复正常幅值，通讯无异常。
图7更换模块后的txd高电平阀值以及can总线电平