不同器件之间的GPIO连接为什么需要电平一致呢？

一、问题：不同器件之间的GPIO连接为什么需要电平一致呢？

        如果连接不同电平信号的I/O，驱动IC的输出电压电平可能不满足接收器的输入电压规格，从而导致接收器故障或损坏。  



图一、电平转换

   1.2、 如果各个器件之间的电压不匹配，可能会出现何种异常现象：

    将某个信号从高电压电平输入至低电压电平的器件，如<图一>右上图所示。低压侧的器件输入电路的耐压通常较低，如果输入高于芯片耐压值的电压，该器件可能会遭损毁。

    将某个信号从低电压电平输入至高电压电平的器件，如<图一>左下图所示。如果在高压侧的器件上施加接近输入阈值的电压，则无法识别高电平信号，从而导致故障。 

  二、问题：既然GPIO允许被配置为开漏输出。那么是否可以直接使用开漏功能实现不同电平之间转换呢？比如：3V-1.8V  

2.1、实现开漏输入、输出功能的引脚大至分为两大类：

输入、输出引脚内部电路是真正的MOS开漏、三极管开集电极输出形式：比如电平转换的专用缓存器、使用MOS管搭建的开漏输入、输出电路。此类功能的芯片、电路使用较简单。

普通的GPIO引脚通过配置控制寄存器，实现开漏极输出功能。注意：此类GPIO使用较为复杂，不能简单的认为利用“开漏电路实现线与”实现电平转换。  

  2.2、通过GPIO控制寄存器配置的开漏输出为什么不能直接“线与”？     

从前文GPIO简介可以知道：GPIO口内部由输入、输出2部分组成；当GPIO口的OUTPUT被使能，不管OUTPUT是否使能开漏输出或推挽输出，GPIO的输入INPUT<输入施密特触发器>始终开启。

  如图下图所示，当外部输入1.8V时，由于IO_VCC 3.3V，1.8V处于中间电平，导致IO输入部分漏电。具体原因如下：  

当GPI0口电平与供电电压VCC相等时，处于input状态的内部电路等效为一个PMOS连接到VCC和一个NMOS连接到地；当输入电压为VCC时，只导通下管NMOS，不导通上管PMOS，故功耗可以忽略不计。同理，当输入电平为低电平时，只导通上管PMOS，不导通下管NMOS，功耗也可以忽略不计。

但当GPIO输入电压为1.8V时，IO_VCC电压为3.3V，上管和下管同时微导通，因此通过PMOS、NMOS产生漏电。

三、常用的电平转换方法、电路：    

3.1、 二极管转换电平（单向转换）

左侧为 5V 电压域，右侧为 3.3V 电压域：

当左侧电压输出高电平（5V）时，二极管 D1 截止。右侧被上拉到一个 3.3V 的高电平；

当左侧电压输出低电平（0V）时，二极管 D1 导通，右侧被拉到为二极管导通电压的低电平；

（注：该电路在低电平转换时存在转换误差，该误差主要来源于二极管正向导通压降，二极管在选型时，5V 端输出的 VOL + 二极管正向压降 VF不能超过 VIL的最大值，MCU 在 3.3V 供电时，VIL电压最大值为 0.8V，MCU 在 1.8V 供电时，VIL电压最大值为 0.3*1.8V=0.54V）。

3.2、MOS 管转换电平（双向转换）

左侧为 3.3V 电压域，右侧为 5V 电压域：

当左侧电压输出低电平（0V）时，MOS 管导通，右侧电压通过 MOS 管被拉低；

当左侧电压输出高电平（3.3V）时，MOS 管不导通。右侧电压被电阻 R1 上拉到 5V；

当右侧电压输出低电平（0V）时，MOS 管不导通，MOS 管先经过体二极管把左侧电压拉到低电平，此时，Vgs 大于 MOS 管阈值电压从而使 MOS 管导通，进一步左侧电压通过 MOS 管被拉低；

当右侧电压输出高电平（5V）时，MOS 管不导通。左侧电压被电阻 R2 上拉到 3.3V。

3.3、使用专用电平转换总线开关或总线缓冲器

当向输出使能信号（OE）的输入端施加等于或高于VIH的电压时，总线开关将输入信号（高或低）传输至输出端：

0V≤输入电压

输入电压≥VOHU：内部开关关断。VCCB侧的外部上拉电阻将输入电压上拉至VCCB电平。

审核编辑：刘清