Dlaczego wiele elektroniki działa na 5 i 3,3 V?

Wiele nowoczesnych urządzeń wykorzystuje złącze zasilania 5 V. Wewnętrznie pracują z napięciem 3,3 V. Czy nie byłoby łatwiej mieć wszędzie 5 V?

Przykładami są liczne urządzenia USB lub routery (używają 5 V do zasilania, ale 3,3 V do komunikacji szeregowej).

5 V znalazło szerokie zastosowanie we wczesnych rodzinach logicznych, a zwłaszcza TTL. Podczas gdy TTL jest bardzo pasywne, teraz wszyscy wciąż mówią o „poziomach TTL”. (Słyszę nawet UART opisany jako „szyna TTL”, co jest mylące: jest to kanał komunikacyjny na poziomie logicznym, ale może również mieć inne napięcie niż 5 V.) W TTL 5 V było dobrym wyborem dla wartości zadanych BJT i dla wysokiej odporności na hałas.

Poziom 5 V został zachowany po zmianie technologii na HCMOS (High-Speed ​​CMOS), przy czym 74HC jest najbardziej znaną rodziną; Układy scalone 74HCxx mogą pracować przy napięciu 5 V, ale 74HCT jest również kompatybilny z TTL pod względem poziomów wejściowych. Taka kompatybilność może być wymagana w obwodach technologii mieszanej, i dlatego właśnie 5 V nie zostanie wkrótce całkowicie porzucone.

Ale HCMOS nie potrzebuje 5 V, tak jak bipolarne tranzystory TTL. Niższe napięcie oznacza niższe zużycie energii: układ scalony HCMOS przy 3,3 V zwykle zużywa 50% lub mniej energii niż ten sam obwód przy 5 V. Zatem tworzysz mikrokontroler, który wewnętrznie działa na 3,3 V, aby oszczędzać energię, ale ma 5 VI / Os. (I / O może również tolerować 5 V; wtedy działa na poziomie 3,3 V, ale nie zostanie uszkodzony przez 5 V na wejściach. Obok zgodności 5 V oferuje również lepszą odporność na zakłócenia.

I idzie dalej. Pracowałem ze sterownikami ARM7TDMI (NXP LPC2100) z rdzeniem działającym na 1,8 V, z 3,3 VI / Os. Niższe napięcie stanowi dodatkową oszczędność energii (tylko 13% kontrolera 5 V), a także niższe EMI. Wadą jest to, że potrzebujesz dwóch regulatorów napięcia.

To taki trend: wewnętrznie coraz niższe napięcia w celu obniżenia zużycia energii i zakłóceń elektromagnetycznych oraz zewnętrzne wyższe napięcie w celu uzyskania lepszej odporności na zakłócenia i łączności.

Pewnie. Pamiętaj jednak, że zużycie energii wzrasta wraz z kwadratem napięcia. Zwiększenie stosowanego napięcia z 3,3 V do 5 V zwiększa zużycie energii 2,3 razy. Dlatego warto stosować możliwie niskie napięcie, nawet jeśli występują pewne straty w zasilaniu z konwersji.

Większość elektroniki miała na pokładzie +5, ale gdy obwody wymagały tylko 3,3 V, łatwiej było obniżyć napięcie na układzie, niż wymagać od producentów przeprojektowania swoich zasilaczy i płytek, aby dodać 3,3 V. Niższe napięcie nie tylko zmniejsza zużycie energii, ale w szybkich obwodach cyfrowych przejście z jednej szyny na drugą zajmuje mniej czasu.