嵌入式笔记 | 非常容易被忽略的电流倒灌

导读

在嵌入式开发工程中，电流倒灌是一个容易被忽视但可能导致严重后果的问题。本章节将深入探讨电流倒灌的成因、影响以及如何在实际工程中识别和预防这一问题。

电流倒灌问题在5V电平的单片机时代几乎不会发生，主要是因为5V单片的IO耐压值高，单片机内部结构对IO保护设计很好。到了3.3V单片机时代，这类问题有一定的偶发性，但还是很少，尽管单片机IO口耐压值有所降低，但内部保护设计依然很到位，同时单片机上电后到程序运行的时间很短，IO口正确初始化后，能很好的与外设电平进行匹配，也能避免电流倒灌。而到了现在的MPU，处理器规模都比较大，IO口很多，系统电源通常有好几路不同的电压，而且还有严格的上电时序要求，再加上处理器的多级启动，启动时间较长，从上电到完成IO口初始化这段时间，远远比以前的单片机长，这段时间如果不谨慎处理电平，就有可能产生电流倒灌。

电流倒灌是一个非常隐蔽的问题，属于“慢性病”，在产品使用中很难被立即发现，只有在应用现场长时间运行后才有可能出现问题，出现的问题非常多样化，表现各异，就算给出解决办法，效果也不是立竿见影，而是需要通过长时间运行才能验证改善方案的有效性。

如果一个产品在现场运行较长一段时间后出现了故障，而用同一型号产品在实验室却无法复现，在基本定位为硬件问题的情况下，可以考虑排查电路设计上有无存在电流倒灌。结合多年来的应用经验，如下故障/问题可以往电流倒灌方面进行排查：

产品在现场运行几个月后出现偶发性重启或者宕机，更换核心板后故障消失；

产品在现场运行几个月后，网络偶发性异常，或者IO口控制设备异常，更换核心板后恢复正常；

产品在现场运行几个月后，系统开不了机，更换核心板后正常，故障板在实验室更换底板后依然无法启动系统。

电流倒灌却又是一个很常见的问题，在网络上以“IO电流倒灌”为关键词进行搜索，可以找到非常多的相关案例和解决办法的文章，如图1所示。

图1 网络上的“IO电流倒灌”搜索结果

 电流倒灌和IO电流倒灌

1. 电流倒灌

电流倒灌是指电流方向与常规流动方向相反的现象。在电路中，电流的方向通常是从电源的正极流出，经由负载流入电源的负极。然而，在某些情况下，如电源电压过高、电路保护措施不足或电路设计错误等，电流可能会反向流动，从电源的负极流回正极，这种现象就称为电流倒灌。

2. IO电流倒灌

IO电流倒灌是指在电子设备中，电流从电源线或信号线流回芯片或电路的现象。这通常是由于电源或信号线的配置不当，或者是因为电路设计错误导致的。

引脚电平冲突也有可能引起IO电流倒灌。例如某处理器引脚默认输出低电平，而所连接外设的引脚默认输出了高电平，此时就会产生从外设到处理器的IO灌电流。

3. 电流倒灌的后果

电流倒灌可能产生的后果，在症状上具有不确定性、多样性，以及问题的隐蔽性，经常让人捉摸不透。轻则可能导致信号失真或不稳定，从而影响设备的性能和稳定性，重则某个或者多个IO工作不正常，或者IO引脚损坏，引起相应外设控制异常，也有引起某些通信接口异常，再重一点就系统死机，出现莫名其妙的故障，更严重的则烧坏CPU，只能走返修途径或者报废。