低压CPLD的混合电压系统设计
摘要： 较详细地阐述不同逻辑电平的接口原理。以低压cpld epm7512a为例，给出在混合电压系统中的具体设计方案。
关键词： 低压cpld 逻辑电平 电源 emp7512a
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，就不可避免地要碰到不同电压电平的接口问题。
1 epm7512a简述
emp7512a是altera公司推出的max7000a 系列的cpld(complex programmable logic device)；采用cmos eeprom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，提供了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同时还提供了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，外界提供的电源为±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。以下是几种解决方案。
(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，基本上不需要外围元件。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(low dropout regulator)。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。不过对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。综合对比上面几种方案，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5v cmos、5v ttl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，5v ttl和3.3v的转换标准是一样的，而5v cmos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。如果接入的电压过高，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 3.3v ttl器件。)
① 5v ttl器件驱动epm7512a(直接相连)。由于5v ttl和3.3v的电平转换标准是一样的，5v ttl器件输出的典型值为3.6v，因此，如果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5v ttl电平驱动。
② epm7512a驱动5v ttl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，5v ttl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5v ttl器件能够正确识别emp7512a的输入电平。
③ 5v cmos器件驱动epm7512a(直接相连)。分析5v cmos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。
④ epm7512a驱动5v cmos(不能直接相连)。3.3v与5v cmos的电平转换标准是不一样的。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5v cmos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5v cmos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。对于5 v ttl 或者5 v cmos器件，如果驱动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。对于epm7512a驱动5v cmos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5v cmos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。
参考文献
1 黄正瑾. cpld 系统设计技术入门与应用. 北京: 电子工业出版社, 2002
2 altera. max7000a data sheet. 2003-04
3 altera. using altera device in multiple-voltage systems. 2001-02
4 intel. low voltage embedded design. 1993-02
山寨本市场风云突变 外销市场跌幅过半
日本砸120亿日元打造21世纪物联网智慧校园
概念阶段和系统开发
永磁电机的分类 永磁电机的特点
为什么说电容器的装置位置很重要
低压CPLD的混合电压系统设计
苹果iOS12.5正式版发布：iPhone6等旧机型可升级
基于DSP芯片TMS320F240的电压无功控制器的设计
基于LM386的双向呼叫有线对讲机的设计与实现
PM2.5检测技术详解
由腾讯AI Lab打造的腾讯辅助翻译，探索人工智能赋能翻译行业新思路
自动驾驶部门要不要独立这个问题 需要细致的考虑和严格的成本核算
英国将投入68亿英镑将用于推动5G网络实现全国范围覆盖
与MAX78615+LMU和MAXREFDES14#隔离式电能测量子系统建立UART通信
Cadence 推出新一代可扩展 Tensilica 处理器平台，推动边缘普适智能取得新进展
海信家电拟斥资214亿日元认购三电控股股份
你知道哪些致命性的网络安全错误
AMD下下代APU曝光 工艺升级7nm+代号Cézanne
在高中频ADC应用中，如何改善增益平坦度同时又不影响动态性能
51单片机与PC机的串口通讯设计
关键词： 低压cpld 逻辑电平 电源 emp7512a
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，就不可避免地要碰到不同电压电平的接口问题。
1 epm7512a简述
emp7512a是altera公司推出的max7000a 系列的cpld(complex programmable logic device)；采用cmos eeprom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，提供了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同时还提供了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，外界提供的电源为±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。以下是几种解决方案。
(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，基本上不需要外围元件。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(low dropout regulator)。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。不过对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。综合对比上面几种方案，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5v cmos、5v ttl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，5v ttl和3.3v的转换标准是一样的，而5v cmos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。如果接入的电压过高，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 3.3v ttl器件。)
① 5v ttl器件驱动epm7512a(直接相连)。由于5v ttl和3.3v的电平转换标准是一样的，5v ttl器件输出的典型值为3.6v，因此，如果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5v ttl电平驱动。
② epm7512a驱动5v ttl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，5v ttl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5v ttl器件能够正确识别emp7512a的输入电平。
③ 5v cmos器件驱动epm7512a(直接相连)。分析5v cmos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。
④ epm7512a驱动5v cmos(不能直接相连)。3.3v与5v cmos的电平转换标准是不一样的。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5v cmos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5v cmos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。对于5 v ttl 或者5 v cmos器件，如果驱动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。对于epm7512a驱动5v cmos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5v cmos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。
参考文献
1 黄正瑾. cpld 系统设计技术入门与应用. 北京: 电子工业出版社, 2002
2 altera. max7000a data sheet. 2003-04
3 altera. using altera device in multiple-voltage systems. 2001-02
4 intel. low voltage embedded design. 1993-02
山寨本市场风云突变 外销市场跌幅过半
日本砸120亿日元打造21世纪物联网智慧校园
概念阶段和系统开发
永磁电机的分类 永磁电机的特点
为什么说电容器的装置位置很重要
低压CPLD的混合电压系统设计
苹果iOS12.5正式版发布：iPhone6等旧机型可升级
基于DSP芯片TMS320F240的电压无功控制器的设计
基于LM386的双向呼叫有线对讲机的设计与实现
PM2.5检测技术详解
由腾讯AI Lab打造的腾讯辅助翻译，探索人工智能赋能翻译行业新思路
自动驾驶部门要不要独立这个问题 需要细致的考虑和严格的成本核算
英国将投入68亿英镑将用于推动5G网络实现全国范围覆盖
与MAX78615+LMU和MAXREFDES14#隔离式电能测量子系统建立UART通信
Cadence 推出新一代可扩展 Tensilica 处理器平台，推动边缘普适智能取得新进展
海信家电拟斥资214亿日元认购三电控股股份
你知道哪些致命性的网络安全错误
AMD下下代APU曝光 工艺升级7nm+代号Cézanne
在高中频ADC应用中，如何改善增益平坦度同时又不影响动态性能
51单片机与PC机的串口通讯设计