Warum arbeiten viele Elektronikgeräte mit 5 UND 3,3 Volt?

Viele moderne Geräte verwenden einen 5-V-Stromanschluss. Intern arbeiten sie mit 3,3V. Wäre es nicht einfacher, überall 5 V zu haben?

Beispiele sind viele USB-Geräte oder Router (sie verwenden 5 V für die Stromversorgung, 3,3 V für die serielle Kommunikation).

5 V wurde in frühen Logikfamilien und insbesondere in TTL häufig verwendet. Während TTL sehr passé ist, spricht man heute noch von "TTL-Levels". (Ich höre sogar UART als "TTL-Bus", was eine falsche Bezeichnung ist: Es ist ein Kommunikationskanal auf Logikebene, aber es kann durchaus eine andere Spannung als 5 V sein.) In TTL waren 5 V eine gute Wahl für die Sollwerte der BJTs und für eine hohe Störfestigkeit.

Der 5-V-Pegel wurde beibehalten, als die Technologie auf HCMOS (High-Speed ​​CMOS) umgestellt wurde, wobei 74HC die bekannteste Familie war. 74HCxx-ICs können mit 5 V betrieben werden, aber der 74HCT ist auch für seine Eingangspegel TTL-kompatibel. Diese Kompatibilität kann in Schaltkreisen mit gemischter Technologie erforderlich sein, und das ist der Grund, warum 5 V nicht bald ganz aufgegeben werden.

Aber HCMOS benötigt keine 5 V wie die Bipolartransistoren von TTL. Eine niedrigere Spannung bedeutet einen geringeren Stromverbrauch: Ein HCMOS-IC mit 3,3 V verbraucht in der Regel 50% oder weniger Strom als derselbe Schaltkreis mit 5 V. Sie erstellen also einen Mikrocontroller, der intern mit 3,3 V betrieben wird, um Strom zu sparen, aber 5 VI / Os. (Die E / A kann auch 5 V-tolerant sein; dann arbeitet sie mit den 3,3 V-Pegeln, wird jedoch nicht durch 5 V an ihren Eingängen beschädigt. Neben der Kompatibilität bietet 5 V auch eine bessere Störfestigkeit.

Und es geht noch weiter. Ich habe mit ARM7TDMI-Controllern (NXP LPC2100) mit einem Kern gearbeitet, der auf 1,8 V mit 3,3 VI / Os läuft. Die niedrigere Spannung ist eine zusätzliche Energieeinsparung (nur 13% eines 5-V-Controllers) und senkt auch die EMI. Der Nachteil ist, dass Sie zwei Spannungsregler benötigen.

Das ist also der Trend: Intern immer niedrigere Spannungen für geringeren Stromverbrauch und EMI und extern eine höhere Spannung für bessere Störfestigkeit und Konnektivität.

Sicher. Denken Sie jedoch daran, dass der Stromverbrauch mit dem Quadrat der Spannung zunimmt . Durch Erhöhen der verwendeten Spannung von 3,3 V auf 5 V wird der Stromverbrauch um das 2,3-fache erhöht. Daher ist es sinnvoll, eine möglichst niedrige Spannung zu verwenden, auch wenn die Stromversorgung durch die Umwandlung einige Verluste aufweist.

Die meisten Elektronikgeräte verfügten über +5 an Bord, aber wenn Schaltkreise nur 3,3 V benötigten, war es einfacher, die Spannung auf dem Chip zu senken, als dass die Hersteller ihre Netzteile und Platinen neu konstruieren mussten, um 3,3 V hinzuzufügen. Die niedrigere Spannung senkt nicht nur den Stromverbrauch, sondern in Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen dauert es auch kürzer, von einer Schiene zur anderen zu wechseln.