引言

隨著微電子技術的飛速發展，體積更小、功耗更低、性能更佳的低壓芯片不斷涌現。I/O電平邏輯向3.3V、2.5V、1.8V，甚至更低的方向發展。但數十年來，由于5V電源的器件一直占據比較重要的市場，在系統設計中它們經常共存在一塊電路板中，因此在設計它們的過程中，就不可防止地要碰到不同電壓電平的接口問題。

1EpM7512A簡述

EMp7512A是Altera公司推出的MAX7000A系列的CpLD（ComplexprogrammableLogicDevice）；采用CMOSEEpROM工藝，傳輸延時僅為3.5ns，可實現頻率高達200MHz的計數器；內部具有豐富的資源——512個觸發器，1萬個用戶可編程門；為了比較適合混合電壓系統，供應了2.5V、3.3V電壓的內核，通過配置，輸入引腳可以工作兼容2.5V/3.3V/5V/邏輯電平，輸出可以配置為2.5V/3.3V邏輯電平輸出。EpM7512A同時還供應了JTAG接口，可進行ISp編程，極大方便了用戶。

2電源設計

在本系統中，外界供應的電源為±12V和+5V，而EpM7512A的工作電壓需接3.3V，所以首先要解決好電源的問題。以下是幾種解決方法。

（1）采用低壓差線性穩壓芯片線性穩壓芯片是一種最簡單的電源轉換芯片，基本上不要外圍元件。使用方便、成本低、紋波小、無電磁干擾。但是傳統的線性穩壓器，如78xx系列都要求輸入電壓要比輸出電壓高2V～3V以上，否則不能正常工作，所以78xx系列已經不能夠滿足3.3V電源設計的要求。面對低電壓電源的需求，許多電源芯片公司推出了低壓差線性穩壓器LDO（LowDropoutRegulator）。這種電源芯片的壓差只有1.3V～0.2V，可以實現5V轉3.3V/2.5V，3.3V轉2.5V/1.8V等要求。

（2）設計開關電源開關電源也是實現電源轉換的一種方法，且效率很高，但設計要比使用線性穩壓器復雜得多。不過關于大電流高功率的設計，建議采用開關電源。現在開關電源里面的同步整流技術可以很好地解決低壓、大電流的問題。

（3）電阻分壓這種方法簡單、成本低，但是分壓輸出受負載大小影響，不推薦在低壓系統中使用。綜合比較上面幾種方法，選用了TI公司的LDO芯片TpS7333QD，負載能力500mA，符合系統功耗要求。

3邏輯接口設計

（1）各種電平的轉換標準EMp7512A的供電電壓為3.3V，當VCCINT接3.3V時，輸入口的邏輯電平范圍為-2V～5.75V。輸出口的邏輯電平范圍為0V～VCCIO。VCCIO可以接2.5V或者3.3V。在進行CpLD系統設計時，除了CpLD本身外，還有很多外圍的模塊和芯片，比如Flash、D/A、A/D等。這些可歸成兩類——驅動CpLD的5V電平和被CpLD驅動的5V電平芯片。因此就存在一個如何將低壓CpLD與這些芯片或模塊可靠接口的問題。表1所列為5VCMOS、5VTTL和3.3V電平的轉換標準。其中，VOH表示輸出高電平的最低電壓，VIH表示輸入高電平的最低電壓，VIL表示輸入低電平的最高電壓，VOL表示輸出低電平的最高電壓。從表1中可以看出，5VTTL和3.3V的轉換標準是相同的，而5VCMOS的轉換標準是不同的。因此，在將3.3V系統與5V系統接口時，必須考慮到兩者的不同。

（2）邏輯電平不同時接口出現的問題在混合電壓系統中，不同電源電壓的邏輯器件互相接口存在以下幾個問題。

①加到輸入和輸出引腳上允許的最大電壓限制問題。器件對加到輸入或者輸出腳上的電壓通常是有限制的。這些引腳由二極管或者分離元件接到Vcc。假如接入的電壓過高，則電流將會通過二極管或者分離元件流向電源。例如在3.3V器件的輸入端加上5V的信號，則5V電源會向3.3V電源充電。持續的電流將會損壞二極管和其它電路元件。②兩個電源間電流的互串問題。在等待或者掉電方式時，3.3V電源降落到0V，大電流將流通到地。這使得總線上的高電壓被下拉到地，引起數據丟失和元件損壞。必須注意的是：不管在3.3V的工作狀態還是在0V的等待狀態，都不允許電流流向Vcc。③接口輸入轉換門限問題。用5V的器件驅動3.3V的器件有很多不同的情況，同樣TTL和CMOS間的轉換電平也存在著不同情況。驅動器必須滿足接收器的輸入轉換電平，并且要有足夠的容限以保證不損壞電路元件。

（3）EpM7512A與5V電平接口的4種情形在該系統中，有下面4種不同的情況需考慮。（配置腳VCCINT、VCCIO均須接3.3V，把EpM7512A配置成3.3VTTL器件。）

①5VTTL器件驅動EpM7512A（直接相連）。由于5VTTL和3.3V的電平轉換標準是相同的，5VTTL器件輸出的典型值為3.6V，因此，假如3.3V器件能夠承受5V的電壓，則從電平上來說是完全可以直接相連的。EpM7512A能承受5VTTL電平驅動。②EpM7512A驅動5VTTL器件（直接相連）。由于3.3V器件的VOH和VOL電平分別是2.4V和0.4V，5VTTL器件的VIH和VIL電平分別是2V和0.8V；而EpM512A實際上能輸出3V擺幅的電壓，顯然5VTTL器件能夠正確識別EMp7512A的輸入電平。③5VCMOS器件驅動EpM7512A（直接相連）。分析5VCMOS的VOH和VOL以及3.3V的VIH和VIL的轉換電平可以看出，雖然兩者存在一定的差別，但是能夠承受5V電壓的3.3V器件能夠正確識別5V器件送來的電平值。所以能夠承受5V電壓的3.3V器件的輸入端可以直接與5V器件的輸出端接口。EpM7512A有5V容限，故能直接與5V器件的輸出端接口。④EpM7512A驅動5VCMOS（不能直接相連）。3.3V與5VCMOS的電平轉換標準是不相同的。從表1中可以看出，3.3V輸出的高電壓的最低電壓值VOH=2.4V（輸出的最高電壓可以達到3.3V），而5VCMOS器件要求的高電平最低電壓VIH=3.5V，因此EMp7512A的輸出不能直接與5VCMOS器件的輸入相連接。為此必須做些處理。最通用的方法就是，使用電平接口轉換芯片實現3.3V與5V電平的相互轉換。可以采用雙電壓（一邊是3.3V，另一邊是5V）供電的雙向驅動器來實現電平轉換。如TI的SN74ALVC164245、SN74ALVC4245等芯片，可以較好地解決3.3V與5V電平的轉換問題。關于5VTTL或者5VCMOS器件，假如驅動3.3V（但無5V容限）的器件，就不能直接連接，而也可通過SN74ALVC16245來實現5V到3.3V的轉換。關于EpM7512A驅動5VCMOS的情況還有個比較好的方法是，使輸出口OC（集電極開路）輸出，外面接一個電阻上拉到5V，這樣就可以驅動5VCMOS器件了，只是邏輯反向了而已。

4總結

混合邏輯系統會在一個比較長的時間內存在。它的設計比較復雜，必須仔細分析其中的邏輯接口問題，否則容易使芯片燒毀或者邏輯失真。筆者在應用EEM7512A的過程中總結了這幾種方法，對設計混合邏輯系統具有普遍意義。