導(dǎo)讀

在嵌入式開發(fā)工程中，電流倒灌是一個容易被忽視但可能導(dǎo)致嚴重后果的問題。本章節(jié)將深入探討電流倒灌的成因、影響以及如何在實際工程中識別和預(yù)防這一問題。

電流倒灌問題在5V電平的單片機時代幾乎不會發(fā)生，主要是因為5V單片的IO耐壓值高，單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)對IO保護設(shè)計很好。到了3.3V單片機時代，這類問題有一定的偶發(fā)性，但還是很少，盡管單片機IO口耐壓值有所降低，但內(nèi)部保護設(shè)計依然很到位，同時單片機上電后到程序運行的時間很短，IO口正確初始化后，能很好的與外設(shè)電平進行匹配，也能避免電流倒灌。而到了現(xiàn)在的MPU，處理器規(guī)模都比較大，IO口很多，系統(tǒng)電源通常有好幾路不同的電壓，而且還有嚴格的上電時序要求，再加上處理器的多級啟動，啟動時間較長，從上電到完成IO口初始化這段時間，遠遠比以前的單片機長，這段時間如果不謹慎處理電平，就有可能產(chǎn)生電流倒灌。

電流倒灌是一個非常隱蔽的問題，屬于“慢性病”，在產(chǎn)品使用中很難被立即發(fā)現(xiàn)，只有在應(yīng)用現(xiàn)場長時間運行后才有可能出現(xiàn)問題，出現(xiàn)的問題非常多樣化，表現(xiàn)各異，就算給出解決辦法，效果也不是立竿見影，而是需要通過長時間運行才能驗證改善方案的有效性。

如果一個產(chǎn)品在現(xiàn)場運行較長一段時間后出現(xiàn)了故障，而用同一型號產(chǎn)品在實驗室卻無法復(fù)現(xiàn)，在基本定位為硬件問題的情況下，可以考慮排查電路設(shè)計上有無存在電流倒灌。結(jié)合多年來的應(yīng)用經(jīng)驗，如下故障/問題可以往電流倒灌方面進行排查：

產(chǎn)品在現(xiàn)場運行幾個月后出現(xiàn)偶發(fā)性重啟或者宕機，更換核心板后故障消失；

產(chǎn)品在現(xiàn)場運行幾個月后，網(wǎng)絡(luò)偶發(fā)性異常，或者IO口控制設(shè)備異常，更換核心板后恢復(fù)正常；

產(chǎn)品在現(xiàn)場運行幾個月后，系統(tǒng)開不了機，更換核心板后正常，故障板在實驗室更換底板后依然無法啟動系統(tǒng)。

電流倒灌卻又是一個很常見的問題，在網(wǎng)絡(luò)上以“IO電流倒灌”為關(guān)鍵詞進行搜索，可以找到非常多的相關(guān)案例和解決辦法的文章，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)上的“IO電流倒灌”搜索結(jié)果

?電流倒灌和IO電流倒灌

1. 電流倒灌

電流倒灌是指電流方向與常規(guī)流動方向相反的現(xiàn)象。在電路中，電流的方向通常是從電源的正極流出，經(jīng)由負載流入電源的負極。然而，在某些情況下，如電源電壓過高、電路保護措施不足或電路設(shè)計錯誤等，電流可能會反向流動，從電源的負極流回正極，這種現(xiàn)象就稱為電流倒灌。

2. IO電流倒灌

IO電流倒灌是指在電子設(shè)備中，電流從電源線或信號線流回芯片或電路的現(xiàn)象。這通常是由于電源或信號線的配置不當(dāng)，或者是因為電路設(shè)計錯誤導(dǎo)致的。

引腳電平?jīng)_突也有可能引起IO電流倒灌。例如某處理器引腳默認輸出低電平，而所連接外設(shè)的引腳默認輸出了高電平，此時就會產(chǎn)生從外設(shè)到處理器的IO灌電流。

3. 電流倒灌的后果

電流倒灌可能產(chǎn)生的后果，在癥狀上具有不確定性、多樣性，以及問題的隱蔽性，經(jīng)常讓人捉摸不透。輕則可能導(dǎo)致信號失真或不穩(wěn)定，從而影響設(shè)備的性能和穩(wěn)定性，重則某個或者多個IO工作不正常，或者IO引腳損壞，引起相應(yīng)外設(shè)控制異常，也有引起某些通信接口異常，再重一點就系統(tǒng)死機，出現(xiàn)莫名其妙的故障，更嚴重的則燒壞CPU，只能走返修途徑或者報廢。