芯耀
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導(dǎo)讀
本期文章將繼續(xù)深入了解電流倒灌，分析嵌入式系統(tǒng)中IO口損壞和系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的根本原因。
在上期的工程筆記中，我們了解了電流倒灌并探討了電流倒灌可能導(dǎo)致的一系列問題，包括IO口損壞、系統(tǒng)死機(jī)、系統(tǒng)不開機(jī)或休眠及喚醒異常。這些問題雖然聽起來頗為技術(shù)性，但它們對嵌入式系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。本期，我們將深入分析這些現(xiàn)象背后的原因。
? IO口損壞
IO端口可分為高阻、三態(tài)、推挽、開漏等類型，除了功能性區(qū)別外，幾乎所有IO口內(nèi)部都會(huì)存在如圖1所示結(jié)構(gòu)的四個(gè)二極管。
圖1 ?IO口內(nèi)部結(jié)構(gòu)
D1在大多數(shù)集成電路中起著防靜電功能，同時(shí)輔助起輸入端限幅作用。
D2是半導(dǎo)體集成所產(chǎn)生的寄生二極管，有一定的放電保護(hù)功能。
D3用于保護(hù)CMOS電路在放電時(shí)的干擾，在大多數(shù)雙極性器件中也存在此二極管。
D4是晶體管的集電極（雙極性）或漏極（場效應(yīng)管）的寄生二極管，有放電作用。
這些等效或者原本就存在的二極管為電流倒灌提供了回路。
下面結(jié)合圖2來分析電流倒灌破壞IO口的過程。在一個(gè)具有上電順序的情況下（或右側(cè)器件斷電或者拔插動(dòng)作），左側(cè)的電壓如果足夠大，那么就會(huì)通過二極管向右側(cè)的VDD充電，也就是去耦電容的充電，這樣就會(huì)使二極管急速過載損壞，電容本身也有可能損壞，瞬時(shí)的大電流甚至?xí)苯訐魵г旧?，再好的結(jié)構(gòu)也會(huì)使得器件邏輯工作不正常。
圖2 電流倒灌過程示意
? 系統(tǒng)故障
1. 系統(tǒng)死機(jī)、不開機(jī)
通常來說，與SOC配套使用的PMU內(nèi)部的DC-DC自帶漏電檢測功能。在PMU未上電工作時(shí)，如檢測到某路DC-DC上存在漏電情況且漏電電壓超過VIL（TYP）值，則那一路DC-DC就不會(huì)輸出，因此，系統(tǒng)會(huì)因?yàn)榕涮譖MU的某路DC-DC沒有電壓輸出而不開機(jī)。此時(shí)，量測到DC-DC電源網(wǎng)絡(luò)上的電壓實(shí)為漏電電壓。
2.?系統(tǒng)休眠或喚醒異常
若PMU某一DC-DC既給SOC供電又給一些外設(shè)供電，而且SOC的GPIO有不少使用了該DC-DC的電源域，外設(shè)的供電電源也可能通過GPIO漏電至該DC-DC，如果SOC的芯片進(jìn)入休眠進(jìn)程，倒灌現(xiàn)象使得系統(tǒng)休眠喚醒異常。
圖3 外部電源漏電至DC-DC
如圖3所示，SOC芯片進(jìn)入休眠進(jìn)程，MCU的I2C/UART/IO先于DCDC1上電，電平通過外設(shè)倒灌到DCDC1上，造成休眠異常。
下一期，我們將通過案例分析，探討并采取一系列預(yù)防措施，以避免IO電流倒灌問題的發(fā)生。
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