Применение микросхем памяти DataFlash с питанием 3 В в 5-вольтовых системах
Введение
В результате перехода технологий производства полупроводниковых изделий на процесс менее 1 мкм возникла необходимость соответствующего уменьшения напряжения питания. В настоящее время на рынке усиливается тенденция перехода от 5-вольтовых систем к 3-вольтовым. Однако, не вся компонентная база удовлетворяет данной тенденции и проектировщики систем сталкиваются со сложностью применения компонентов при использовании одного источника питания. Эта проблема даже больше касается компаний занимающихся техническим обслуживанием систем, которые экономят средства за счет перепроектирования морально устаревших 5-вольтовых частей.
Корпорация Atmel учитывала это при проектировании новой серии AT45DBXXXX семейства DataFlash с питанием только 3В. Однако, семейство 3-вольтовых DataFlash могут использоваться и в 5-вольтовых системах. Данное практическое руководство имеет целью привести рекомендации по использованию 3-вольтовых DataFlash в 5-вольтовых системах или в системах со смешанным питанием.
1 Характеристики и условия функционирования
1.1 Требования к напряжению питания
Напряжение питания для устройств DataFlash должно находится между 2.7В и 3.6В для корректной работы. Выход за пределы указанных значений может привести к неправильной работе устройства либо его повреждению. Максимальные рабочие диапазоны по переменному и постоянному токам и абсолютные максимально допустимые значения приведены в таблицах документации на устройства.
1.2 Определения логических уровней
В настоящее время большинство систем соответствуют одному или двум стандартам логических интерфейсов: ТТЛ или КМОП. Поэтому, необходимо рассмотреть возможность подключения 3-вольтовых DataFlash к 5-вольтовым системам с ТТЛ или КМОП совместимостью.
1.2.1 Логические уровни ТТЛ
Минимальный ТТЛ-уровень логической 1 составляет VIН=2.0В, а для определения логического 0 необходимо на ТТЛ вход подать напряжение VIL=0.8В. Обратитесь к документации производителя для уточнения требований к логическим уровням конкретного изделия.
1.2.2 КМОП логические уровни
Для определения логической 1 на КМОП вход необходимо подать минимум VIH=0.7 x VCC (VCC – напряжение питания данного КМОП-устройства). Если КМОП устройство работает при питании от 4.5В до 5.5В, то VIH=3.15…3.85В. Для выявления логического 0 на КМОП вход необходимо подать напряжение VIL=0.2 x Vсс. Соответственно, для 5-вольтовой системы VIL=0.9…1.1В.
2 Анализ системы и постановка задачи
Для рассмотрения всех аспектов применения 3-вольтовой DataFlash в 5-вольтовой системе должны быть рассмотрены следующие два аспекта:
- Требования к входным и выходным уровням устройства
- Стабилизация напряжения для DataFlash
2.1 Требования к входным и выходным уровням
Входы DataFlash выдерживают 5-вольтовые уровни и не представляют проблему ни для ТТЛ ни для КМОП совместимых систем. Входы и выходы DataFlash приведены ниже.
| Входы DataFlash |
| SI |
Последовательный ввод данных |
| SCK |
Тактирование последовательной связи |
| CS |
Выбор микросхемы |
| Reset |
Вход сброса |
| WP |
Защита от записи |
| Выходы DataFlash |
| SO |
Последовательный вывод данных (1) |
| I/O7 - I/O0(1) |
Параллельный вывод данных (разряды 7…0) |
| RDY/BUSY |
Сигнал готовность/занято |
Примечание: 1. В данном руководстве рассматривается только последовательная передача данных. Режим параллельной передачи данных не доступен в рассматриваемых устройствах.
Однако выводы можно использовать только в пределах технических требований к DataFlash и ограничены пределами напряжения источника питания VCCDF. DataFlash имеет один выход в режиме последовательной передачи данных и 8 выходов в параллельном режиме. Сигнал RDY/BUSY – выход с открытым коллектором, сигнализирующий о статусе устройства. Вывод RDY/BUSY может быть связан с 5-вольтовой схемой через внешний нагрузочный резистор сопротивлением 1 кОм, подключенного к плюсу питания.
2.2 Управление ТТЛ-нагрузкой
Выход DataFlash, подключенный ко входу ТТЛ устройства, будет иметь минимальные отклонения от требований к логическим уровням ТТЛ. Выход DataFlash изменяется до уровня VCCDF-0.2 В. Поэтому, в самом худшем случае, при самом низком значении VCCDF, минимальный уровень на выходе DataFlash будет VО = 2.7-0.2 = 2.5В. На рис.1 приведена схема включения DataFlash в составе ТТЛ-системы.
Рисунок 1 – Схема подключения к ТТЛ-устройству
2.3 Управление КМОП-нагрузкой
Проблема возникает при рассмотрении уровней последовательного вывода данных (SO) DataFlash при подключении к КМОП входу. Стандартный 5-вольтовый КМОП-вход требует минимум VIH=3.15В, что больше наихудшего выходного уровня DataFlash (2.5В). Так как выход DataFlash не способен непосредственно управлять 5-вольтовым КМОП входом, то необходимо использовать преобразователь уровня (Shifter) или альтернативный метод преобразования выходных уровней DataFlash к тем, что требуются на входе устройства. На рис.2 приведена схема с использованием преобразователя уровня выходного сигнала данных DataFlash при подключении к КМОП устройству с питанием 5В.
Рисунок 2 - Схема подключения к КМОП-устройству
2.4 Стабилизация напряжения
Немногие системы обеспечивают 5В и 3В стабилизацию напряжения на одной и той же схеме. Поэтому, необходим метод понижения или стабилизации напряжения питания для DataFlash. Выбор стабилизатора напряжения зависит от характеристик источника питания ведущей системы, максимального потребляемого тока устройством DataFlash и затратами на добавление стабилизатора напряжения. В модернизирующихся системах это может также потребовать дополнительных соображений о практической реализации выбранного решения.
2.5 Ток программирования
Необходимо анализировать потребление тока при программировании DataFlash при выборе метода стабилизации напряжения. В режиме программирования или стирания DataFlash потребляет максимальное значение тока в диапазоне от 70 мА до 80 мА. Также важно рассмотреть требование по среднеквадратическому значению тока DataFlash в течение этих действий. Перегруженный стабилизатор может стать источником увеличения шумов во всей системе и может привести к неправильному функционированию и возможному повреждению данных в DataFlash при программировании или стирании.
3 Типовые решения
Обеспечив возможность подключения ко входам 3-вольтовых устройств DataFlash 5-вольтовых уровней, Atmel минимизировала влияние на конечное использование и пользователей.
Однако, выявлены две проблемы, которые обсуждены выше, которые возникают при использовании DataFlash в 5-вольтовой системе:
- Требуется дополнительный стабилизатор напряжения.
- Требуется преобразователь уровня для согласования уровней выхода DataFlash со входом 5-вольтового КМОП-устройства.
Для решения этих проблем может быть найдено большое количество творческих решений. В следующей секции рассматриваются некоторые типовые методы их решения.
3.1 Методы стабилизации напряжения
3.1.1 Простой стабилизатор напряжения
Существует много стабилизаторов напряжения и преобразователей постоянного напряжения (DC-DC), которые можно применить как источник питания DataFlash напряжением 2.7…3.6В от входного напряжения VCC=4.5…5.5В. На рис. 3 и 4 приведены типовые решения стабилизаторов напряжения на основе серии линейных стабилизаторов LT1761 с низкими просадками и малыми шумами.
Рисунок 3– Функциональная схема стабилизации напряжения
3.1.2 Линейные стабилизаторы напряжения серии LT1761
Широкий диапазон решений возможен на основе применения однокристальных стабилизаторов напряжения и преобразователей напряжения от различных производителей. В табл.1 приведен список основных производителей электронных компонентов, предлагающих стабилизаторы напряжения или DC-DC преобразователи, подходящие для рассматриваемого применения. Любая разработка на основе стабилизатора напряжения должна учитывать требования по потребляемому току и может требовать дополнительных навесных компонентов, например, конденсаторов, резисторов и катушек индуктивности, чтобы гарантировать стабильность выходного напряжения. Обращайтесь к документации от производителя компонента для уточнения характеристик и рекомендаций по применению.
Рисунок 4 – Пример схемы стабилизации напряжения
3.1.3 Простой диодный преобразователь напряжения
Рисунки 5 и 6 иллюстрируют метод стабилизации напряжения с использованием трех диодов. Прямое падение напряжения(приблизительно Vt = 0.7В) каждого диода при их последовательном включении суммируются и в результате составляет 2.1В. Преимуществами данной схемы являются низкая стоимость и малое занимаемое место. Недостатком схемы является то, что входное напряжение не должно снижаться ниже 4.8В, в этом случае гарантируется уровень напряжения питания на DataFlash 2.7В. Подбор диодов с различным прямым падением напряжения Vt помог бы добиться наилучшей настройки схемы.
Рисунок 5 – Пример диодного стабилизатора напряжения
Рисунок 6 – Пример схемы диодного стабилизатора напряжения
3.2 Методы преобразования уровня выходного напряжения
3.2.1 Преобразователь логических уровней от Maxim MAX3370
Схема, приведенная на рис. 7, использует преобразователь уровня MAX3370 для смещения уровня низковольтного выхода DataFlash к более высокому уровню напряжения (VIH) входа 5-вольтовой КМОП-схемы. Следует отметить, что MAX3370 не позволяет формировать на выходе высокоимпедансное состояние, что создает трудности в системах, где несколько устройств подключено к одной SPI шине. Чтобы обеспечить корректную работу нескольких устройств на одной SPI шине, каждый контроллер или подчиненное устройство должно иметь возможность переводить сигналы шины в высокоимпедансное состояние. В нормальной ситуации, когда DataFlash непосредственно связан с любым числом устройств SPI шины, выход DataFlash будет находиться в Z-состоянии, пока на входе выбора микросхемы CS будет присутствовать уровень логической 1. В схеме с MAX3370 выход DataFlash также находиться в Z-состоянии, однако, при этом MAX3370 продолжает формировать на выходе низкий или высокий логический уровень, порождая потенциальный конфликт шины. Если в системе требуется подключить несколько аналогичных DataFlash устройств к одной SPI шине, то более эффективна схема на рисунке 8.
Рисунок 7 – Преобразователь уровня Maxim MAX3370
3.2.2 Преобразователь логических уровней Maxim MAX3371
В схеме на рисунке 8 используется преобразователь уровня MAX3371. В это устройство входит вывод с активным низким уровнем SHDN, позволяющего другим устройствам на шине передавать данные за счет отключения внутреннего нагрузочного резистора. Для перевода выхода DataFlash в высокоимпедансное состояние вход выбора микросхемы CS DataFlash должен быть с высоким логическим уровнем. Поэтому, необходим дополнительный инвертор для согласования действия входов CS и SHDN. Схема на MAX3370 и MAX3371 способны обеспечит скорость передачи данных до 2 Мбит/с, что подходит для большинства приложений.
Рисунок 8 - Преобразователь уровня Maxim MAX3371 с Z-состоянием
3.2.3 Схема на основе MC74VHC1GT фирмы ON Semiconductor без дополнительного инвертора
Альтернативным решением преобразования уровня, приведенным на рисунках 7 и 8, может быть схема на основе MC74VHC1GT фирмы ON Semiconductor, в которой исключена необходимость применения инвертора. Данное устройство обеспечивает полное преобразование логического уровня, обеспечивая КМОП- и ТТЛ-совместимость. В этом устройстве также имеется возможность управления разрешением выхода для подключения нескольких устройств к SPI-шине. Поскольку вывод OE имеет активный высокий уровень для блокировки выхода, что совместимо с уровнем перехода в высокоимпедансное состояние выхода DataFlash, то, в отличие от схемы на MAX3371, не требуется дополнительный инвертор.
Рисунок 9 - Схема на основе буфера MC74VHC1GT фирмы ON Semiconductor
Заключение
Таким образом, серия AT45DBXXXX 3-вольтовых DataFlash может легко применятся в 5-вольтовых системах, как в новых, так и в обслуживаемых эксплуатируемых системах. Проектировщик системы должен только согласовать надлежащим образом уровни сигналов на выходе DataFlash, учесть требования максимального значения тока при программировании/стирании и напряжения питания Vcc. Полученное решение в конечном счете характеризуется несколькими факторами: стоимостью, занимаемой площадью, практичностью, техническими требованиями и характеристиками системы. Совокупность необходимых изменений минимальна, поскольку Atmel предусмотрела возможность работы входов DataFlash с 5-вольтовыми уровнями независимо от ее напряжения питания.
Документация:
| |
 |
89 Kb Engl Исходный фаил |
| |
 |
Rus Микросхемы последовательной Flash памяти семейства AT45 фирмы Atmel |
Фирма реализует жби и фундаментные блоки.
| 
