【应用笔记】LAT1305+使用STM32+TT类型IO的注意事项

news2024/9/28 5:22:35

1. 概述

在 STM32 系列 MCU 中，除了一些特殊管脚外，绝大多数管脚都可以分类为 FT (兼容5V 信号)或 TT（兼容 3V3 信号）类型的 IO，由于 MCU 内部设计的不同， TT IO 相比 5V IO 有更多的限制，下面我们将予以说明。

2. TT 和 FT IO 的结构和参数区别

下面我们解释 TT 和 FT IO 的不同内部结构以及因此导致的对输入电压和电流的不同限制要求。

2.1. TT 和 FT IO 的结构区别

下面的图 1 描述了 TT 和 FT IO 的通用结构：
图1.TT/FT IO 的内部结构
在这里插入图片描述
TT 和 FT IO 的内部结构在 IO 端口的保护电路（IO 到 VSS 二极管以及 ESD 保护单元），输出 BUFFER，数字控制单元以及模拟单元都是相同的。
区别在于，对于 FT IO 来说，从 IO 输入到模拟单元之间存在一个模拟开关，只有在软件控制相关寄存器后这个开关才会闭合. 而对 TT IO 来说，这一模拟开关是不存在的，IO 管脚与模拟单元直接相连。

2.2. 结构不同导致对电平和电流的不同要求

从图 1 结构图中可以看到，在 IO 内部的模拟单元中存在一个输入信号到 VDDA 寄生二极管和相串联的电阻，该二极管是寄生的，因此其电流能力是无法保证的，不但不能用做模拟输入信号的钳位二极管，而且还要避免任何从输入信号到 VDDA 的注入电流的产生, 否则可能导致内部相关电路的损坏。

因此对于 FT IO 的数字输入信号来说，由于模拟开关被断开，输入的信号即使高于VDDA 也不会导致模拟单元中寄生二极管电流的产生，在 VDD+4V 的范围内， IO 是安全的。

如果 FT IO 被配置为模拟输入，模拟开关闭合，那么它就不再是兼容 5V 的 IO 了，输入信号的幅度必须小于 VDDA+0.3V。

对于 TT IO 来说，由于不存在到模拟单元的模拟开关，模拟单元的寄生二极管和 IO 口是直接相连的，因此，在任何时候都必须保证加到 TT IO 端口的信号电平小于VDDA+0.3V。

另外需要补充的是，如果 IO 输入信号可能存在负电平，尽管 TT 和 FT 类型的 IO 都在端口处设计有到 VSS 的二极管，这一二极管提供了一定的钳位保护能力，但是其通过电流能力限制在 5mA 以下。因此，外部钳位二极管通常仍然是必须的，如果不能通过外部钳位耳机管将输出负电平信号限制在大于 -0.3V, 那么就需要串联限流电阻将流经二级管的负注入电流限制在 5mA 以下。

2.3. STM32 datasheet 中相关参数说明

在 STM32 的 datasheet 中对 IO 端口的电压和注入电流的要求有限制，以STM32G474 为例，在 Absolute maximum ratings 章节中， IO 对输入信号电压的要求如下：
图2.IO 对输入信号电压的要求
在这里插入图片描述
很多人注意到了电压要求，认为只要加在 FT IO 的信号电平不超过 VDD+4V，加在TT IO 的电平不超过 4V 都是安全的，但是忽视了 IO 对工作电流和注入电流也有要求，电流方面的要求也必须得到满足，具体如下：
图3. IO 对电流方面的要求
在这里插入图片描述
可以看到， IO 对注入电流同样有着限制，在-5mA 到 0 之间，超出这一范围仍然可能造成 IO 的损坏。
对于 STM32 的使用来说，电平和电流方面的限制必须都得到满足。

3. TT IO 的注意事项

使用者对加在 IO 的电平幅度限制一般都能遵守，但是对于 IO 电流特别是注入电流的严格限制往往被一些使用者忽视，然而实际上， IO 对注入电流的限制往往对加在 IO 管脚的信号电平提出了更高的要求。

对于 FT 类型 IO 来说，只要信号电压在使用的合理范围内，正的注入电流是不可能产生的。
对于 TT 类型 IO 来说，超过 VDDA+0.3V 的信号电压都有可能产生大于 0mA 的正向注入电流，这个电流流过芯片内部参数没有保证的模拟单元寄生二极管，从而可能导致电路损伤。

因此对 TT IO 的电平小于 VDDA+0.3V 的限制在任何场景下都必须满足。

一个常被忽视的场景是系统上电时，在 STM32 的供电系统还没有建立时， STM32 的IO 信号已经加在了 IO 管脚，例如某些电源或电机应用中对母线电压的检测，通常用分压电阻将母线电压分在 1V~2V 之间后连接到 STM32 的某一 ADC 采样输入 IO，通常这一分压电压到达 IO VDD 建立更早。如果这一 IO 是 FT 类型的，那么 IO 的信号电平始终能满足小于 VDD+4V 的要求，不管 VDD=0V 或 3V3。但是假如这一信号所接的是 TT 类型的 IO，那么在 VDD=0 或低电平时，母线电压分压后的电平将超过 VDDA+0.3V 的限制，带来芯片损坏的可能。

为了避免 TT IO 损坏，在系统上电，下电或工作的整个过程中，必须始终满足 TT IO 端口电平小于 VDDA+0.3V 的要求. 当 TT IO 的信号电平可能超过 VDDA+0.3V 时，钳位保护电路是必须的。

在上述母线电压检测的案例中，如果这一检测管脚不得不使用 TT IO，那么一个从信号到 VDDA （或同电位的其它电源）的钳位二极管将可以防止 VDD=0 等场景下信号电平超范围的可能。