低压 CPLD EPM7512A的混合电压系统设计

引言

随着微电子技术的飞速发展，体积更小、功耗更低、性能更佳的低压芯片不断涌现。I/O电平逻辑向3.3V、2.5V、1.8V，甚至更低的方向发展。但数十年来，由于5V电源的器件一直占据比较重要的市场，在系统设计中它们经常共存在一块电路板中，因此在设计它们的过程中，就不可防止地要碰到不同电压电平的接口问题。

1EpM7512A简述

EMp7512A是Altera公司推出的MAX7000A系列的CpLD（ComplexprogrammableLogicDevice）；采用CMOSEEpROM工艺，传输延时仅为3.5ns，可实现频率高达200MHz的计数器；内部具有丰富的资源——512个触发器，1万个用户可编程门；为了比较适合混合电压系统，供应了2.5V、3.3V电压的内核，通过配置，输入引脚可以工作兼容2.5V/3.3V/5V/逻辑电平，输出可以配置为2.5V/3.3V逻辑电平输出。EpM7512A同时还供应了JTAG接口，可进行ISp编程，极大方便了用户。

2电源设计

在本系统中，外界供应的电源为±12V和+5V，而EpM7512A的工作电压需接3.3V，所以首先要解决好电源的问题。以下是几种解决方法。

（1）采用低压差线性稳压芯片线性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。使用方便、成本低、纹波小、无电磁干扰。但是传统的线性稳压器，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电源设计的要求。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性稳压器LDO（LowDropoutRegulator）。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。

（2）设计开关电源开关电源也是实现电源转换的一种方法，且效率很高，但设计要比使用线性稳压器复杂得多。不过关于大电流高功率的设计，建议采用开关电源。现在开关电源里面的同步整流技术可以很好地解决低压、大电流的问题。

（3）电阻分压这种方法简单、成本低，但是分压输出受负载大小影响，不推荐在低压系统中使用。综合比较上面几种方法，选用了TI公司的LDO芯片TpS7333QD，负载能力500mA，符合系统功耗要求。

3逻辑接口设计

（1）各种电平的转换标准EMp7512A的供电电压为3.3V，当VCCINT接3.3V时，输入口的逻辑电平范围为-2V～5.75V。输出口的逻辑电平范围为0V～VCCIO。VCCIO可以接2.5V或者3.3V。在进行CpLD系统设计时，除了CpLD本身外，还有很多外围的模块和芯片，比如Flash、D/A、A/D等。这些可归成两类——驱动CpLD的5V电平和被CpLD驱动的5V电平芯片。因此就存在一个如何将低压CpLD与这些芯片或模块可靠接口的问题。表1所列为5VCMOS、5VTTL和3.3V电平的转换标准。其中，VOH表示输出高电平的最低电压，VIH表示输入高电平的最低电压，VIL表示输入低电平的最高电压，VOL表示输出低电平的最高电压。从表1中可以看出，5VTTL和3.3V的转换标准是相同的，而5VCMOS的转换标准是不同的。因此，在将3.3V系统与5V系统接口时，必须考虑到两者的不同。

（2）逻辑电平不同时接口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。

①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。这些引脚由二极管或者分离元件接到Vcc。假如接入的电压过高，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。②两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，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。③接口输入转换门限问题。用5V的器件驱动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）EpM7512A与5V电平接口的4种情形在该系统中，有下面4种不同的情况需考虑。（配置脚VCCINT、VCCIO均须接3.3V，把EpM7512A配置成3.3VTTL器件。）

①5VTTL器件驱动EpM7512A（直接相连）。由于5VTTL和3.3V的电平转换标准是相同的，5VTTL器件输出的典型值为3.6V，因此，假如3.3V器件能够承受5V的电压，则从电平上来说是完全可以直接相连的。EpM7512A能承受5VTTL电平驱动。②EpM7512A驱动5VTTL器件（直接相连）。由于3.3V器件的VOH和VOL电平分别是2.4V和0.4V，5VTTL器件的VIH和VIL电平分别是2V和0.8V；而EpM512A实际上能输出3V摆幅的电压，显然5VTTL器件能够正确识别EMp7512A的输入电平。③5VCMOS器件驱动EpM7512A（直接相连）。分析5VCMOS的VOH和VOL以及3.3V的VIH和VIL的转换电平可以看出，虽然两者存在一定的差别，但是能够承受5V电压的3.3V器件能够正确识别5V器件送来的电平值。所以能够承受5V电压的3.3V器件的输入端可以直接与5V器件的输出端接口。EpM7512A有5V容限，故能直接与5V器件的输出端接口。④EpM7512A驱动5VCMOS（不能直接相连）。3.3V与5VCMOS的电平转换标准是不相同的。从表1中可以看出，3.3V输出的高电压的最低电压值VOH=2.4V（输出的最高电压可以达到3.3V），而5VCMOS器件要求的高电平最低电压VIH=3.5V，因此EMp7512A的输出不能直接与5VCMOS器件的输入相连接。为此必须做些处理。最通用的方法就是，使用电平接口转换芯片实现3.3V与5V电平的相互转换。可以采用双电压（一边是3.3V，另一边是5V）供电的双向驱动器来实现电平转换。如TI的SN74ALVC164245、SN74ALVC4245等芯片，可以较好地解决3.3V与5V电平的转换问题。关于5VTTL或者5VCMOS器件，假如驱动3.3V（但无5V容限）的器件，就不能直接连接，而也可通过SN74ALVC16245来实现5V到3.3V的转换。关于EpM7512A驱动5VCMOS的情况还有个比较好的方法是，使输出口OC（集电极开路）输出，外面接一个电阻上拉到5V，这样就可以驱动5VCMOS器件了，只是逻辑反向了而已。

4总结

混合逻辑系统会在一个比较长的时间内存在。它的设计比较复杂，必须仔细分析其中的逻辑接口问题，否则容易使芯片烧毁或者逻辑失真。笔者在应用EEM7512A的过程中总结了这几种方法，对设计混合逻辑系统具有普遍意义。