低压CPLD EPM7512A的混合电压系统设计

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。