在总线通信中，总线设备中的MCU需要连接到总线收发器以访问总线网络。如果MCU的电源电压和收发器电压不匹配会怎样？本文将以CAN总线为例，从接口电平的角度分析电平匹配的重要性。

一. CMOS电平

目前数字集成电路大多采用CMOS工艺，其接口的级别大致符合以下定义:

垂直注入逻辑

卷（volume的缩写）

以常见的5V和3.3V系统为例，对应的接口参数如表1所示。

表1不同电源下的电平要求

注:表中数据仅为计算参考值，设备实际参数应参考相应的数据手册。

二。级别不匹配

为了确保两个设备之间可靠的信号传输，必须确保:

驱动器输出的VOH(最小值)必须高于接收器输入的VIH(最小值)；

驱动器输出的VOL(MAX)必须低于接收器输入的vil (max );

驱动器的输出电压不得超过接收器输入的I/O电压容差；

当两个CMOS器件连接在一起时，如果电源电压相同，信号传输就没有问题。如果两个器件的电源电压不同，就会出现电平不匹配。

以3.3V器件和5V器件的连接为例，会出现以下两个问题:

5V设备输入引脚可能无法识别3.3V设备输出的高电平。

如图1所示，3.3V器件输出3.3V的最大VOH达不到5V器件3.5V的最小VIH，不能保证正确识别3.3V器件输出的高电平。因为器件设计有一定的裕度，所以在测试时仍可能正常工作，但存在风险，比如器件电压波动时会出现问题。

图1 3.3V器件输出，5V信号输入

5V设备的高输出电平可能会损坏3.3V设备的输入接口。

如图2所示，5V器件输出的高电平信号远高于3.3 V，如果3.3V器件的输入引脚不支持5V电平输入，工作时会有电流注入3.3V器件，严重损坏器件。

图2 5V信号输出，3.3V信号输入

三。隔离收发器的选择

以CTM1051(A)M系列产品为例。其采用的CMOS工艺芯片，引脚级如图3所示，符合CMOS级标准。在选型时，要针对不同的MCU选择相应的型号，防止电平不匹配带来的问题。如果MCU由5V供电，CTM1051M应该被选中。如果MCU由3.3V供电，则选择CTM1051AM。

图3 CTM1051(A)M引脚电平

四。实际案例

我公司客户使用的一款隔离式CAN收发器模块已经大批量出货，但是在使用中出现了一些异常现象。异常产品显示CAN总线间歇性通信故障。当产品处于高温环境(如65℃)时，反复上电可重复通信失败。

1。周期性异常

将异常产品放入65℃的烘箱中，测试以下信号:MCU电源、TXD、CAN差分、CAN模块电源。无异常时，各点波形如图4所示。可以看到，MCU由3.3V供电，电压稳定在3.2V左右，CAN模块电源稳定在5.07V左右，TXD信号对应的CAN差分波形没有异常。

图4正常情况下的波形

异常板反复上电导致CAN总线出现大量错误帧，问题再次出现。异常时，各点波形如图5所示，MCU电源电压和CAN模块电源电压同时波动，出现异常位。当异常位出现时，MCU电源下降到3.08V，CAN模块电源上升到5.19V

图5异常波形

仔细观察异常bit波形，如图6所示，当TXD变为高电平时，CAN差分电平不随之变化，但当TXD再次出现小噪声尖峰时，CAN差分电平变为隐藏电平。此时结合MCU供电电压降低，但CAN模块供电增加的情况，初步判断问题是由于供电电压波动导致TXD高电平无法识别。

图6异常bit波形

1。问题定位

因为怀疑无法识别TXD电平，所以测试CAN模块的TXD高电平阈值电压值。不同输入电压下的测试数据如表3所示。

表3异常产品TXD的高电平阈值电压

从测试数据可以看出，在不同的环境温度下，TXD的高电平阈值电压变化不大。采用4.75V电源，阈值约为2.91V；5V电源下，阈值约为3.06V；在5.25V电源下，阈值约为3.2V..

如图5所示，出现异常bit时，此时CAN模块的电源为5.19V，TXD的高电平阈值应该在3.17V左右，而MCU的电源只有3.08V，IO输出电压达不到3.17V，无法识别高电平。当TXD出现噪声尖峰时，TXD短时间高于3.17V，这将触发CAN模块的内部切换并改变总线差分信号。

在此验证以上猜测，确定故障原因为:MCU和CAN模块高温上电时，电源电压波动，CAN模块的TXD引脚无法识别MCU产生的高电平信号，导致错误帧不断出现，CAN通信中断。

2。解决方案

更换电平匹配的隔离模块(由5V隔离模块改为3.3V隔离模块)后，TXD高电平阈值电压和CAN总线通信电平幅度如下图7所示，均已恢复正常幅度，通信无异常。

图7模块更换后TXD高电平阈值和CAN总线电平