Miniaturisierung hat Konsequenzen
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46 A KT I V E B AU E L E M E N T E MIKROCONTROLLER www.polyscope.ch Logik mit zwe i Ve rsorg un g s s pannu nge n Miniaturisierung hat Konsequenzen «Kleiner, besser, schneller und billiger» hiess die Devise in der Anfangszeit der Halbleiterindustrie. Heutige Notebooks sind viel leistungsfähiger als der erste Computer, der ein ganzes Gebäude einnahm. Dieses Ziel wurde durch ständige Verkleinerung der Einzeltransistoren in den Halbleiterbausteinen erreicht. >> Gaurang Kavaiya Bild 1: Logische Spannungspegel sowie Ein-/Ausgangsstruktur eines Systems mit zwei Betriebsspannungen Aus der Miniaturisierung ergibt sich ein interessanter Nebeneffekt: Je kleiner der Transistor wird, desto geringer wird seine Betriebsspannung. Die 5-V-Versorgung erfreute sich in eingebetteten Systemen daher grosser Beliebtheit. Die meisten Komponenten in typischen eingebetteten Systemen verlangen heute jedoch nach noch geringeren Versorgungsspannungen, um die Vorteile der neuesten industriellen Entwicklungen nutzen zu können. Allerdings benötigen einige Komponenten im System für diese Anpassung etwas mehr Zeit als andere. In dieser Übergangsphase ist es daher möglich, dass einige Komponenten im System eine unterschiedliche Versorgungsspannung benötigen – z. B. ein 5-V-Baustein in einem 3,3-V-System und umgekehrt. Dies stellt für den Entwickler eingebetteter Systeme eine gewisse Herausforderung dar. Der Einsatz eines Level-Translators ist allerdings nicht die günstigste Lösung. Im Folgenden werden einige preisgünstige Lö- sungen für die Anpassung eines 3,3-V-Mikrocontrollers (MCU) an eine 5-V-Peripherie erörtert. Gesucht werden gleiche Komponenten für 3,3 V Bei der Umwandlung eines 5-V-Designs in eine 3,3-V-Schaltung sollte zunächst recherchiert werden, ob es eine Version der gleichen Komponente für 3,3 V gibt. In den meisten Fällen wird eine solche Variante für 3,3 V zu gleichen Kosten oder sogar billiger zur Verfügung stehen. Sofern eine Alternative für 3,3 V nicht erhältlich ist, kann der Einsatz von zwei Versorgungsspannungen in Frage kommen. Das Hauptaugenmerk dieses Beitrags wird auf Schaltungen mit zwei Versorgungsspannungen liegen (Bild 1). Bringt man Menschen aus zwei verschiedenen Welten zusammen, so sollte man sicherstellen, dass sie sich untereinander verständigen können. Dasselbe gilt für die Vereinigung der 5-V- mit der 3-V-Welt. An erster Stelle steht der Zusammenhang von logischen Spannungspegeln und der Ein-/Ausgangsstruktur. Für die Eingänge müssen die Spannungspegel berücksichtigt werden, die mindestens als H-Eingang (VIH) oder als L-Eingang (VIL) zur Verfügung stehen müssen. Wird eine 5-V-Komponente in einem 3,3-V-System betrieben, so ist die Erkennung des VIH problematischer als die des VIL. Das heisst jedoch nicht, dass die Festlegung von VIL vernachlässigt werden kann. Die Treiberbausteine müssen eine höhere Spannung VIH (min.) erzeugen, als sie für den Eingang der folgenden Komponente spezifiziert ist, um die sichere logische Erkennung zu gewährleisten. Eine zu hohe Spannung kann aber auch zu Problemen führen. Der Reihenwiderstand muss hoch bemessen sein Nahezu alle CMOS-Komponenten sind mit einem Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) an den I/O-Pins ausgestattet. Die einfachste Methode ist die Einfügung einer Klemmdiode zwischen Vdd und Vss. Im Allgemeinen ergibt sich daraus eine spezifizierte maximale Eingangsspannung Vdd von +0,3 V und eine minimale spezifizierte Spannung Vss von –0,3 V. Sobald diese Spezifizierung überschritten wird, werden die Schutzdioden leitend. Wenn am Eingang kein Reihenwiderstand vorgesehen ist, kann dies in einem hohen Strom durch die Dioden resultieren und potenziell zu einem Latch-up führen, was nicht gerade wünschenswert ist. Ist die Spannung entsprechend hoch (z.B. 5 V Eingangsspannung in einem 3,3-V-System), dann muss der Reihenwiderstand sehr hoch bemessen sein, um den Klemmstrom auf einen sicheren Bereich zu reduzieren. Polyscope 19/07 MIKROCONTROLLER Ist der Widerstand hoch genug, dann ergibt sich eine signifikante L-Eingangs-Kapazität aus der Anschlusskapazität und den Schaltungskapazitäten, sodass diese RCZeitkonstante eine Signalverzögerung verursacht. Viele Hersteller raten deshalb vom Einsatz einer Klemmdiode als ESD-Schutzdiode ab. Somit ist der Reihenwiderstand nicht gerade die beste Option zur Einspeisung eines 5-V-Signals in ein 3,3-V-Bauteil. Betrachten wir die Logiklevel eines Standard-CMOS-Bausteins, so ist VIH (min.) Vorteile der Technik nutzen und Kosten senken meistens mit 0,7 oder 0,8 Vdd definiert. VIL (max.) befindet sich im Bereich 0,2 oder 0,3 Vdd. Übertragen auf 5-V-Logikschaltungen gilt, VIH beträgt 3,5 oder 4,0 V und VIL (max.) 1,0 oder 1,5 V. Die meisten CMOS-Komponenten haben ein Ausgangssignal nahe der A KT IV E B AU E L E M E N T E Versorgungsspannung (0,1 oder 0,2 V Abfall) bei geringer Last. Steigt der Laststrom, so ist auch VOH niedriger. Um in diesem Zusammenhang die VOH zu bestimmen, muss also der Laststrom berücksichtigt werden. Spannungsteiler ist besser als serieller Eingangswiderstand Um ein 5-V-Signal an einen 3,3-V-Eingang anzupassen, ist ein Spannungsteiler viel besser geeignet als ein serieller Eingangswiderstand (Bild 2). Der Widerstandswert sollte so gewählt werden, dass er alle Toleranzen berücksichtigt. Die folgenden Formeln sollen bei der Berechnung helfen: R2/(R1 + R2)×VOH (min.) @ min. von 5 V (für max. negative Toleranz) > VIH (min.) R2/(R1 + R2)×VOH (max.) @ max. von 5 V (für max. positive Toleranz) < VIH (max.) In diesen Berechnungen sollte man auch die Widerstandstoleranzen berücksichtigen. Eine weitere einfachere Lösung ist der Einsatz eines 5-V-Bausteins mit TTL-Eingän- Bild 2: Einsatz eines Spannungsteilers zur Anpassung eines 5-V-Signals an einen 3,3-V-Eingang Bild 3: Einsatz eines 5-V-Bausteins mit TTL-Eingängen Polyscope 19/07 47 48 A KT IV E B AU E L E M E N T E MIKROCONTROLLER Elektrotechnik die überzeugt. Druckmesstechnik, Industrie PC, Netzüberwachung. Bild 4: Schaltung zur Anpassung an 5-V-Eingang Halstrup-Walcher: Druckmesstechnik Bild 5: Pull-up-Widerstand am Open-Drain-Ausgang zur Erzeugung eines 5-V-Ausgangs Automata: Industrie-PC Steuerungstechnik CodeSys Ziehl: Temperaturrelais Messumformer Netzüberwachung Trelco AG CH-5037 Muhen Telefon 062 737 62 62 [email protected] www.trelco.ch gen. VIH (min.) beträgt für einen TTL-Baustein 2,1 V (für Vdd von 5 V). Die meisten Komponenten für 3,3 V unterstützen viel höhere VOH-Pegel bei einer hohen Belastung. In diesem Fall ist der Austausch des PeripherieBausteins durch eine äquivalente Komponente mit TTL-kompatiblen Eingängen die Lösung. Die Suche sollte geeignete Alternativen mit TTL-Eingängen ergeben. Die Tabelle zeigt einige Beispiele. TTL-Lösung kann billiger sein Wird eine Standard-Logikfamilie für 5 V Versorgungsspannung eingesetzt, sollten auch entsprechende Komponenten mit TTL-Eingängen erhältlich sein. Die 74 HCT-Familie zum Beispiel kann an die Stelle der 74 HCSerie treten. Wird ein Level-Translator benötigt, so können Digitalpuffer vom Typ HCT oder VHCT eingesetzt werden. In den meisten Fällen kann diese TTL-Lösung sogar billiger sein als der Einsatz spezieller LevelTranslatoren. Der VOH-Pegel eines an 3,3 V betriebenen Bauteils liegt knapp unter VIH (0,7 Vdd = 3,5 V) eines CMOS-Typs für 5 V. Eine einfache Lösung ist der Einsatz einer Diode für die erforderliche Spannungsanpassung. Die Schaltung in Bild 4 erhöht den Ausgang um etwa 0,6 V in positive Richtung. Damit wird der CMOS-Ausgang in den Bereich für 5-V-CMOS-Eingänge verschoben. Das logische Low-Signal wird um den gleichen Betrag verschoben. VIL (max.) für den Die 5-V-Welt muss sich mit der 3-V-Welt verständigen CMOS-Eingang liegt jedoch bei 1,5 V, auf diese Weise wird die Spezifikation für VIL nicht verletzt. Allerdings müssen einige andere Fakten in dieser Konfiguration berücksichtigt werden. Sobald das 3,3-V-Bauteil einen logischen Nullpegel ausgibt, steigt die Stromaufnahme. Nun untersuchen wir die VOL-Spezifikation für das 3,3-V-Bauelement für diese Stromsenke. Typischerweise gilt: je höher der Senkenstrom ist, desto höher ist die VIL. Hier ist Vorsicht geboten, dass die Verletzung der VIL-Spezifikation Polyscope 19/07 MIKROCONTROLLER vermieden wird! Ist der CMOS-Ausgang VOL höher, kann die Erhöhung des Werts des Pull-up-Widerstands erwogen werden. Ist der Widerstandswert jedoch zu hoch, wird der Vorlaufstrom der Diode zu niedrig sein, sodass sie nicht schnell genug schalten kann. Mikrocontroller bietet einfache Möglichkeit zur Anpassung an 5 V 16-Bit-Mikrocontroller aus der neuen PIC 24Familie von Microchip bieten eine einzigartige einfache Möglichkeit zur Anpassung an 5 V. Sie verfügen über 5 V (oder 5,5 V) tolerierende Eingänge, auch wenn das Bauteil an Vdd = 3,3 V oder darunter betrieben wird. Sie arbeiten ohne Klemmdiode an Vdd und nutzen einen anderen ESD-Schutz, um diese Fähigkeit zu erreichen. Dies ist eine sehr wichtige Eigenschaft für die Anpassung an 5 V, da so 5-V-Ausgänge auch ohne Spannungsteiler mit 3,3-V-Bauteilen direkt verbunden werden können. Das Beispiel in Bild 3 zeigt diese Eigenschaft für einen nahtlosen 5-V-Übergang. Einige Mikrocontroller unterstützen diese Eigenschaft zusätzlich, indem sie mit einem 5-V-Pull-up-Widerstand einen 5-V-Ausgang generieren. Das 3,3-V-Bauteil mit 3,3 V Ausgang akzeptiert aber auch 5 V am Eingang. Der digital gesteuerte Open-Drain-Ausgang an diesen Anschlüssen kann – ohne die Spezifikation zu verletzen – auf 5 V gezogen werden. Diese Eigenschaft unterstützt einfache Anbindungen von 5-V-Bauteilen mit CMOSEingängen. Diese Konfiguration hat einen Nebeneffekt Beträgt die minimal akzeptable Impulsbreite für Anstiegszeit/Abfallzeit 50 ns, so ergibt sich eine maximale Frequenz von 20 MHz am Ausgang. Dies reicht für die meisten Peripheriefunktionen aus. Diese Konfiguration hat einen Nebeneffekt: Wenn die MCU die Logik auf Low setzt, fliesst der zusätzliche Strom durch einen Pull-up-Widerstand. Der Pull-upWiderstand bietet die Möglichkeit, zwischen Geschwindigkeit und Stromaufnahme zu entscheiden. Möglicherweise ist es notwendig, einen Kompromisswert zu wählen, der die gewünschte Geschwindigkeit und Stromaufnahme für die Anwendung erfüllt. Einige mögen sagen, dass diese Konfiguration sich nicht für die Ansteuerung von Lasten mit niedriger Impedanz eignet. Doch welche Möglichkeiten gibt es für die Ansteuerung eines 5-V-Relais? Glücklicherweise ist die eben gezeigte Eigenschaft auch hilfreich für die Ansteuerung von Lasten mit niedriger Impedanz wie Relais. Bild 6 zeigt die entsprechende Schaltung. Zur Ansteuerung der Last wird der Pin als Ausgang definiert und auf Low gesetzt. Die einzige Einschränkung ergibt sich aus der maximalen Stromaufnahme des Bauteils. Um die Last abzuschalten, wird der Pin als Eingang definiert und es entsteht ein 5-VEingang. Da hier 5 V toleriert werden, ist die Operation auch erlaubt. Mit anderen Worten: Es ist notwendig, die Logik bei Output-Latch AKT IVE B AUELEMENT E auf Low zu halten und das TRIS-Register (Eingangs-/Ausgangssteuerungsregister) hinund herzuschalten, um die Last ein- und auszuschalten. Überbrückung wird bald unnötig sein Hier handelt es sich um eine Möglichkeit der Verknüpfung von 5- und 3,3-V-Versorgungen. Es ist möglich, ähnliche preiswerte und intelligente Lösungen zu entwickeln, um die zwei Versorgungsschienen während der Übergangsphase zu überbrücken. Es ist aber sehr wahrscheinlich, dass die meisten Bauteile bald auch für niedrigere Versorgungsspannungen erhältlich sind, sodass eine Überbrückung der Versorgungen unnötig ist. Die in diesem Beitrag beschriebenen Methoden sollten dem Entwickler helfen, die Vorteile der jüngsten Halbleitertechniken zu nutzen und so die Kosten zu senken. << Infoservice Gaurang Kavaiya, Applications Group Manager, Advanced Microcontroller Architecture Division, Microchip Technology Inc. Infos: Mero Microchip Switzerland Office Solothurn Bahnhofstrasse 39, 5605 Dottikon Tel. 056 610 15 01, Fax 056 610 15 03 www.microchip.com Bestimmung des Anschlusswiderstandswerts Wird die Konfiguration mit Pull-up-Widerstand gemäss Bild 5 eingesetzt, so muss die Kapazität der Verbindung zwischen den beiden Bauteilen berücksichtigt werden. Somit lässt sich für diese Anwendung die Anstiegsund Abfallzeit des Signals und der entsprechende Widerstandswert an diesem Anschluss bestimmen – für die maximale Schaltfrequenz. Es gilt folgende Gleichung: Anstiegszeit/Abfallzeit = Tln (PVdd/PVdd – PVIH (min.)) T = Zeitkonstante, R×C PVdd = Vdd der Peripheriespannung PVIH (min.) = VIH (min.) Peripheriewert Folgende Werte sind typisch: ■ Pull-up-Widerstand R = 1 kΩ ■ Kapazität C des Anschlusses und der Schaltung = 10 pF ■ PVdd = 5 V ■ PVIH (min.) = 0,7×Vdd = 3,5 V ■ Anstiegszeit/Abfallzeit ≈ 12 ns Polyscope 19/07 Bild 6: Schaltung zur Ansteuerung niedriger Impedanzen Tabelle: Komponenten mit CMOS-Eingängen haben oft ein TTL-Pendant 49
