电流倒灌揭秘：IO口损坏与系统故障的真相

导读

本期文章将继续深入了解电流倒灌，分析嵌入式系统中IO口损坏和系统稳定性问题的根本原因。

在上期的工程笔记中，我们了解了电流倒灌并探讨了电流倒灌可能导致的一系列问题，包括IO口损坏、系统死机、系统不开机或休眠及唤醒异常。这些问题虽然听起来颇为技术性，但它们对嵌入式系统的正常运行至关重要。本期，我们将深入分析这些现象背后的原因。

 

 IO口损坏

 

IO端口可分为高阻、三态、推挽、开漏等类型，除了功能性区别外，几乎所有IO口内部都会存在如图1所示结构的四个二极管。

图1  IO口内部结构

D1在大多数集成电路中起着防静电功能，同时辅助起输入端限幅作用。

D2是半导体集成所产生的寄生二极管，有一定的放电保护功能。

D3用于保护CMOS电路在放电时的干扰，在大多数双极性器件中也存在此二极管。

D4是晶体管的集电极（双极性）或漏极（场效应管）的寄生二极管，有放电作用。

这些等效或者原本就存在的二极管为电流倒灌提供了回路。

下面结合图2来分析电流倒灌破坏IO口的过程。在一个具有上电顺序的情况下（或右侧器件断电或者拔插动作），左侧的电压如果足够大，那么就会通过二极管向右侧的VDD充电，也就是去耦电容的充电，这样就会使二极管急速过载损坏，电容本身也有可能损坏，瞬时的大电流甚至会直接击毁元件本身，再好的结构也会使得器件逻辑工作不正常。

图2 电流倒灌过程示意

 

 系统故障

1. 系统死机、不开机
 

通常来说，与SOC配套使用的PMU内部的DC-DC自带漏电检测功能。在PMU未上电工作时，如检测到某路DC-DC上存在漏电情况且漏电电压超过VIL（TYP）值，则那一路DC-DC就不会输出，因此，系统会因为配套PMU的某路DC-DC没有电压输出而不开机。此时，量测到DC-DC电源网络上的电压实为漏电电压。

2. 系统休眠或唤醒异常
 

若PMU某一DC-DC既给SOC供电又给一些外设供电，而且SOC的GPIO有不少使用了该DC-DC的电源域，外设的供电电源也可能通过GPIO漏电至该DC-DC，如果SOC的芯片进入休眠进程，倒灌现象使得系统休眠唤醒异常。

图3 外部电源漏电至DC-DC

如图3所示，SOC芯片进入休眠进程，MCU的I2C/UART/IO先于DCDC1上电，电平通过外设倒灌到DCDC1上，造成休眠异常。

下一期，我们将通过案例分析，探讨并采取一系列预防措施，以避免IO电流倒灌问题的发生。