总被搞混的TTL与CMOS电平藏着这些学问-电路图讲解-电子技术方案

一．TTL TTL集成电路的主要型式为晶体管－晶体管逻辑门（transistor-transistor logic gate）,TTL大部分都采用5V电源.   1.输出高电平Uoh和输出低电平UolUoh≥2.4V,Uol≤0.4V   2.输入高电平和输入低电平Uih≥2.0V,Uil≤0.8V  

二．CMOS CMOS电路是电压控制器件,输入电阻极大,对于干扰信号十分敏感,因此不用的输入端不应开路,接到地或者电源上.CMOS电路的优点是噪声容限较宽,静态功耗很小.   1.输出高电平Uoh和输出低电平UolUoh≈VCC,Uol≈GND   2.输入高电平Uoh和输入低电平UolUih≥0.7VCC,Uil≤0.2VCC （VCC为电源电压,GND为地）  

从上面可以看出: 在 同样5V电源电压情况下,COMS电路可以直接驱动TTL,因为CMOS的输出高电平大于2.0V,输出低电平小于0.8V；而TTL电路则不能直接驱动 CMOS电路,TTL的输出高电平为大于2.4V,如果落在2.4V～3.5V之间,则CMOS电路就不能检测到高电平,低电平小于0.4V满足要求,所 以在TTL电路驱动COMS电路时需要加上拉电阻.如果出现不同电压电源的情况,也可以通过上面的方法进行判断.   如果电路中出现3.3V的COMS电路去驱动5V CMOS电路的情况,如3.3V单片机去驱动74HC,这种情况有以下几种方法解决,最简单的就是直接将74HC换成74HCT（74系列的输入输出在下面有介绍）的芯片,因为3.3V CMOS 可以直接驱动5V的TTL电路；或者加电压转换芯片；还有就是把单片机的I/O口设为开漏,然后加上拉电阻到5V,这种情况下得根据实际情况调整电阻的大小,以保证信号的上升沿时间.三．74系列简介   74系列可以说是我们平时接触的最多的芯片,74系列中分为很多种,而我们平时用得最多的应该是以下几种：74LS,74HC,74HCT这三种,这三种系列在电平方面的区别如下：    

TTL和CMOS电平 1、TTL电平(什么是TTL电平)：   输出高电平>2.4V,输出低电平=2.0V,输入低电平 Vih,输入低电平 Vih > Vt > Vil > Vol   6：Ioh：逻辑门输出为高电平时的负载电流（为拉电流）.7：Iol：逻辑门输出为低电平时的负载电流（为灌电流）.8：Iih：逻辑门输入为高电平时的电流（为灌电流）.9：Iil：逻辑门输入为低电平时的电流（为拉电流）.   门电路输出极在集成单元内不接负载电阻而直接引出作为输出端,这种形式的门称为开路门.开路的TTL、CMOS、ECL门分别称为集电极开路（OC）、漏极开路（OD）、发射极开路（OE）,使用时应审查是否接上拉电阻（OC、OD门）或下拉电阻（OE门）,以及电阻阻值是否合适.对于集电极开路（OC）门,其上拉电阻阻值RL应满足下面条件：   （1）：RL < （VCC－Voh）/（n*Ioh＋m*Iih）（2）：RL > （VCC－Vol）/（Iol＋m*Iil）   其中n：线与的开路门数；m：被驱动的输入端数.   10：常用的逻辑电平   ·逻辑电平：有TTL、CMOS、LVTTL、ECL、PECL、GTL；RS232、RS422、LVDS等.   ·其中TTL和CMOS的逻辑电平按典型电压可分为四类：5V系列（5V TTL和5V CMOS）、3.3V系列,2.5V系列和1.8V系列.   ·5V TTL和5V CMOS逻辑电平是通用的逻辑电平.   ·3.3V及以下的逻辑电平被称为低电压逻辑电平,常用的为LVTTL电平.   ·低电压的逻辑电平还有2.5V和1.8V两种.   ·ECL/PECL和LVDS是差分输入输出.   ·RS-422/485和RS-232是串口的接口标准,RS-422/485是差分输入输出,RS-232是单端输入输出.OC门,又称集电极开路（漏极开路）与非门门电路,Open Collector（Open Drain）.  

为什么引入OC门? 实际使用中,有时需要两个或两个以上与非门的输出端连接在同一条导线上,将这些与非门上的数据（状态电平）用同一条导线输送出去.因此,需要一种新的与非门电路--OC门来实现“线与逻辑”.OC门主要用于3个方面：   1、实现与或非逻辑,用做电平转换,用做驱动器.由于OC门电路的输出管的集电极悬空,使用时需外接一个上拉电阻 Rp到电源VCC。OC门使用上拉电阻以输出高电平,此外为了加大输出引脚的驱动能力,上拉电阻阻值的选择原则,从降低功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足 够大；从确保足够的驱动电流考虑应当足够小.2、线与逻辑,即两个输出端（包括两个以上）直接互连就可以实现“AND”的逻辑功能.在总线传输等实际应用中需要多个门 的输出端并联连接使用,而一般TTL门输出端并不能直接并接使用,否则这些门的输出管之间由于低阻抗形成很大的短路电流（灌电流）,而烧坏器件.在硬件 上,可用OC门或三态门（ST门）来实现. 用OC门实现线与,应同时在输出端口应加一个上拉电阻.3、三态门（ST门）主要用在应用于多个门输出共享数据总线,为避免多个门输出同时占用数据总线,这些门的使能信号 （EN）中只允许有一个为有效电平（如高电平）,由于三态门的输出是推拉式的低阻输出,且不需接上拉（负载）电阻,所以开关速度比OC门快,常用三态门作 为输出缓冲器.什么是OC、OD?  

集电极开路门(集电极开路 OC 或漏极开路 OD) Open-Drain是漏极开路输出的意思,相当于集电极开路(Open-Collector)输出,即TTL中的集电极开路（OC）输出.一般用于线或、线与,也有的用于电流驱动.   Open-Drain是对MOS管而言,Open-Collector是对双极型管而言,在用法上没啥区别.开漏形式的电路有以下几个特点：   a. 利用外部电路的驱动能力,减少IC内部的驱动. 或驱动比芯片电源电压高的负载.b.可以将多个开漏输出的Pin,连接到一条线上.通过一只上拉电阻,在不增加任何器件的情况下,形成“与逻辑”关系.这也是I2C,SMBus等总线判 断总线占用状态的原理.如果作为图腾输出必须接上拉电阻.接容性负载时,下降延是芯片内的晶体管,是有源驱动,速度较快；上升延是无源的外接电阻,速度 慢.如果要求速度高电阻选择要小,功耗会大.所以负载电阻的选择要兼顾功耗和速度.c. 可以利用改变上拉电源的电压,改变传输电平.例如加上上拉电阻就可以提供TTL/CMOS电平输出等.d. 开漏Pin不连接外部的上拉电阻,则只能输出低电平.一般来说,开漏是用来连接不同电平的器件,匹配电平用的.   正常的CMOS输出级是上、下两个管子,把上面的管子去掉就是OPEN-DRAIN了.这种输出的主要目的有两个：电平转换和线与.   由于漏级开路,所以后级电路必须接一上拉电阻,上拉电阻的电源电压就可以决定输出电平.这样你就可以进行任意电平的转换了.   线与功能主要用于有多个电路对同一信号进行拉低操作的场合,如果本电路不想拉低,就输出高电平,因为OPEN-DRAIN上面的管子被拿掉,高电平是靠外接的上拉电阻实现的.（而正常的CMOS输出级,如果出现一个输出为高另外一个为低时,等于电源短路.）   OPEN-DRAIN提供了灵活的输出方式,但是也有其弱点,就是带来上升沿的延时.因为上升沿是通过外接上拉无源电阻对负载充电,所以当电阻选择小时延时就小,但功耗大；反之延时大功耗小.所以如果对延时有要求,则建议用下降沿输出。                                        

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现今电动汽车车型日新月异，如何在诸多车型中脱颖而出呢？一款性能强大的电动汽车内部一定会有一套优质的电池管理系统（BMS），而想要打造优质的BMS，隔离电源和隔离CAN收发器的选择至关重要，那么在BMS方案中隔离电源和隔离CAN收发器该如何选择呢？   一、电动汽车BMS简介 电池管理系统（BATTERY MANAGEMENT SYSTEM简称BMS）是连接车载电力电池和电动汽车的重要纽带，其主要功能包括：电池物理参数实时监测，电池状态评估，在线诊断和报警，均衡控制等。为什么电动汽车BMS会兴起呢？   电动汽车的动力和储能电池均是采用电池组的形式，但基于现有的制造水平，单体电池之间尚不能达到性能的完全一致，在通过串并联方式组成大功率、大容量动力电池组后，苛刻的使用条件也易诱发局部偏差，从而引发安全问题。为对电池组进行合理有效的管理控制，BMS性能至关重要。

 图1  BMS产品图片  

二、BMS的工作原理 BMS与电动汽车的动力电池紧密结合在一起，那么BMS是如何保证对电池组进行合理有效的管理控制呢？它具体的工作如下。 l监测电池的整体情况，通过传感器对电池的电压、电流、温度进行实时检测；   l管理电池的工作状态，对电池进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量（SOC）、放电功率，报告电池劣化程度（SOH）和剩余容量（SOC）状态；   l电池状态预估，根据电池的电压电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程，以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电。   而这一系列信息传输均是通过CAN总线接口与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通信，最终保证对电池组进行合理有效的管理控制，具体的结构框图如图2所示。    

 图2  BMS架构框图  

三、BMS应具备的三要素 那么要如何保证BMS正常工作呢？让我们从BMS在汽车内部的工作环境着手吧。   首先，应避免BMS模块之间的相互干扰，电源输入前端使用隔离DC-DC电源。一台车里有很多BMS模块，每个模块都集中从蓄电池里取电，具体电动汽车内部框图如图3所示。为保证每个模块供电不会相互串扰，同时保证BMS单个模块的独立性，因此需要在BMS的电源输入前端使用隔离DC-DC电源，并且输入电压范围应较宽。

 图3  电动汽车内部BMS框图   其次，应保证BMS能够与电动汽车进行实时通信，通信前端做CAN隔离处理。汽车内部的通信环境较为恶劣，存在着浪涌、脉冲等干扰信号，为保证正常通信，同样基于系统间低耦合性和配合电源安规的考虑，CAN端也需要做隔离处理，并且对防护等级和传输速率要求较高。   

 最后，应保障驾驶人员的人身安全，需要较高等级的电源隔离防护。由于多个电池串联后，电池组的电压非常高，一般可达500VDC左右，是属于对人体有安全威胁的电压，为保障蓄电池低压侧的安全，一般也会用隔离DC-DC隔开高压和低压侧。  

  四、BMS电源与信号隔离推荐方案 由于BMS的安全性考虑，系统之间需要进行电源和信号隔离，BMS主板供电来源于电池组。一般是12V(也有24V)，采用较多的是2W/3W隔离DC-DC电源模块，如：ZY2405WHB1CS-2W，ZY2405WRBDD-3W。部分功率要求高的场合也会选用6W隔离DC-DC电源模块，如：E2412URAD-6W。对于EMI要求高的场合，可以在隔离DC-DC电源模块输入端加π型滤波电路，具体的产品实物如图4所示。   图4  ZLG致远电子隔离DC-DC电源模块   考虑到BMS的安全性，多采用CAN通信，相应的在防干扰，隔离等方面就要花费很大心思。如下图5所示，ZLG致远电子专门的CTM系列隔离CAN收发器，隔离电压达到3500VDC(如：CTM1051KT/CTM1051KAT)，工作温度-40℃～+85℃，符合“ISO 11898-2”标准，标准DIP-8 引脚封装，超小体积，在BMS、充电桩、电动汽车等领域被广泛应用。  

图5  ZLG致远电子CTM1051K(A)T实物图                                        

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