IC Max IO Pin Strom

Ich habe mir das Datenblatt für den Mikrocontroller ATTiny2313A angesehen und es gibt eine absolute maximale Nennleistung für den Gleichstrom durch jeden E / A-Pin bei 40mAund den maximalen Gleichstrom durch die Masse- / Vcc-Pins bei an 200mA.

Ich plane, diesen Mikrocontroller zum Ansteuern einiger LED-Anzeigen zu verwenden, sodass möglicherweise eine erhebliche Menge an Strom bezogen / abgesenkt wird. Ich weiß, dass ich die Ströme unbedingt unter der absoluten Maximalbewertung halten sollte, aber am liebsten möchte ich diese unter einem empfohlenen Wert halten, der leider nicht aufgeführt ist.

Das Gleiche gilt für eine Vielzahl anderer IC-Schaltungen (logische Schieberegister, analoge Schalter, Multiplexer usw.), die ich für die Ansteuerung der LED-Anzeigen verwendet habe, in denen nur absolute maximale Stromwerte aufgeführt sind.

Meine Frage ist also, was im Allgemeinen eine gute Sicherheitsmarge für verschiedene IC-Schaltungen ist, in denen nur absolute maximale Stromwerte aufgeführt sind. Kann ich bis zu 40 mA*und absolut sicher sein? Oder möchte ich einen komfortablen Sicherheitsfaktor von 2x, 3x usw.?

* Hinweis: Ich gehe davon aus, dass ich niemals 40 mAeinen 35 mANennwert mit einer 5 mAVarianz überschreite .

Post-Note: Ich weiß, dass es speziell entwickelte Konstantstrom-LED-Treiber gibt, aber ich denke, dass dies immer noch eine relevante Frage für den Antrieb anderer Komponenten ist.

Die absoluten Maximalwerte geben Auskunft darüber, was bei Überschreitung (so gut wie) garantiert Ihren IC beschädigt. Sie werden für den normalen Gebrauch nicht empfohlen (beachten Sie das " bei diesen oder höher ..." im ersten Clip unten).

Alle anständigen Datenblätter haben empfohlene Betriebsbedingungen, von denen Sie ausgehen möchten, anstatt die absoluten Maximalwerte. Für die meisten kleinen Mikros sind 15-20 mA eine typische maximale Betriebsbedingung.

Im Datenblatt für Ihre uC finden Sie eine Tabelle mit den OH- und OL-Spannungen über dem Strom, die beide bis zu 20 mA betragen. Beachten Sie den Spannungsanstieg / Drop bei 20 mA und Sie können dies sehen überschreiten , wird der OH und OL Spiegel führen zu gehen außerhalb der Spezifikation Kompatibilität wiese (Beispiel für 5V - Versorgung gezeigt - die Dinge sind für 3,3 V und 1,8 V)
Zum Beispiel können Sie sehen , Bei 25 ° C liegt die niedrige Ausgangsspannung bei etwa 0,5 V bei 20 mA (mehr bei höherer Temperatur).
Daher würde ich für die Ausgänge maximal 20 mA annehmen (bei 5 V - siehe andere Tabellen für 3,3 V und 1,8 V). Beachten Sie auch die kleinen Hinweise in den Tabellen, in denen die garantierten Hi / Lo-Eingangswerte und die kombinierten Stromwerte aufgeführt sind.

Entscheiden Sie sich grundsätzlich für Ihre Betriebsbedingungen (Temperatur, Spannung usw.). Lesen Sie alle Tabellen sorgfältig durch und rechnen Sie nach, um sicherzustellen, dass Sie die Spezifikationen einhalten.

Wenn Sie einige LED-Anzeigen ansteuern möchten, verwenden Sie entweder einen Treiberchip mit geeigneter Nennleistung oder fügen Sie an jedem Pin einige diskrete Transistoren hinzu, um die LED anzusteuern. Dies ist im Allgemeinen der richtige Weg, es sei denn, Sie verwenden nur ein paar LEDs für die Niedrigstromanzeige.

Hinweis : Wie andere bereits betont haben, sollten absolute Höchstbewertungen niemals absichtlich erreicht werden. Sie sind die bekannte Fehlerstelle des Chips. Sie bieten jedoch einen sehr nützlichen Entwurfspunkt, um zu verstehen, wie weit Sie von diesem Maximum entfernt sind. Diese Antwort konzentriert sich auf die Lösung der Überreste dieses Designproblems - nämlich wie weit sollte man von diesem Maximalwert entfernt sein (und warum).

Bei der Dimensionierung des Ausgangsstroms in statischen Situationen sind zwei große Probleme zu berücksichtigen : Spannungsausgang und Wärmeausgang.

Spannungsausgang

Wenn Sie den Ausgangsstrom erhöhen, beginnt die Ausgangsspannung aufgrund der endlichen Ausgangsimpedanz des Ausgangstreibers des GPIO-Pins zu "versagen" (größer als erwartet für einen Ausgang "niedrig" und niedriger als erwartet für einen Ausgang "hoch") . Dies wiederum stört den Q-Punkt Ihrer am Ausgang angeschlossenen Schaltung.

Dies ist besonders interessant bei stark nichtlinearen Geräten wie LEDs. Wenn Sie die Spannung, die Sie an eine LED anlegen, ein wenig ändern, ändert sich der Strombedarf im Verhältnis viel mehr.

Dies führt zu dem allgemeinen Prinzip, dass die Ausgangsspannung nicht mehr als 10% "fehlerhaft" sein soll (um Ihr Konstruktionsleben zu vereinfachen).

Um sich den absoluten Höchstwerten anzunähern, müssen Sie einen Fehler von> 60% in Ihrer Ausgangsspannung erleiden. Tatsächlich zeigen die Spezifikationen für Ihre MCU nicht einmal, wie viel Fehler bei diesem Ausgangspegel auftreten würde.

Sie würden so etwas wie 1V von einem Ausgang "hoch" von einem 3V VCC erhalten. Dieser Pegel ist nicht hoch genug, um anderen Geräten (in digitalen Systemen) zuverlässig "hoch" zu signalisieren.

Ich habe diese Zahl aus Ihrem Datenblatt-Link extrahiert:

Zur Auslegung der Strombegrenzung (hier bei Vcc = 3): 3 - 0,1 (3) = 2,7

Bei 2,7 V liegt die Nennstrombegrenzung bei 8 mA - das ist etwas weniger als erwartet von * 30 * mA ... ;-)

Interessanter Hinweis aus der Gerätephysik ist, dass die n-Seite (niedrige Seite) in fast jedem CMOS-Ausgangstreiber, den ich mir angesehen habe, etwas stärker ist als die p-Typ-hohe Seite. Dies liegt daran, dass sich Elektronen (der Majoritätsträger im n-Typ-FET) etwa doppelt so leicht durch den Kanal bewegen wie Löcher (der Majoritätsträger in p-Typ-FETs). Um dies zu kompensieren, verdoppeln die Chiphersteller die Größe des p-Transistors (ungefähr), bis die Leistung des Treibers ungefähr symmetrisch ist, aber die Low-Side behält normalerweise einen leichten Vorteil (<10% Vorteil).

Dieser Fall ist keine Ausnahme ...

Sie können in dieser Figur sehen, dass 0 + 0,1 (3) = 0,3 V -> 9 mA, ungefähr 10% größer als die vorherigen 8 mA.

Daher sollten Sie Ihre LEDs nach Möglichkeit in Ihren Chip einbauen . Das heißt, gestalten Sie sie so, dass der Ausgang niedrig = LED leuchtet. Etwas wie das:

Wärmeleistung

Hohe Ströme im Pin-Treiber = Wärme (offensichtlich). Hitze ++ -> Katastrophe. GPIO-Treiberschaltungen sind normalerweise aus geometrischen Gründen gleichmäßig um den Umfang des Chips verteilt (häufig bestimmen sie die Mindestgröße des Chips).

Bei diesem Atmel-Chip (ATMEGA8, siehe unten) sind sie es mit Sicherheit. Die GPIO-Schaltungen sind um die dunkelblauen Drahtbindungsstellen im Cyanring um die (dunklen) Logik- und Speicherbereiche in der Mitte gruppiert.

Dies ist alles nur eine Grenzschätzung und leicht von Hand gewellt, aber beim Engineering geht es darum, Dinge zu erledigen, also geht es weiter ... ;-)

Die Verwendung benachbarter Pins bei hohen Strompegeln sollte zu einer zumindest linearen Leistungsreduzierung führen.

Wenn Sie davon ausgehen, dass das Teil die Wärme ungefähr gleichmäßig verteilt (faire Annahme für Ihre kleine Matrize), können Sie eine Annäherung erster Ordnung erhalten, indem Sie von der absoluten Maximalleistung (40 mA) rückwärts arbeiten und davon ausgehen, dass der benachbarte Stift 100% der Wärme teilt Wärmebelastung.

Das heißt, wenn Sie einen 40-mA-Ausgang haben (tun Sie dies nicht wirklich), sollten seine unmittelbaren Nachbarn bei 0 mA liegen. 20mA Ausgang -> 10mA Nachbarn, etc ...

Wenn ich es gut genug erklärt habe, sollte jetzt klar sein, dass Sie das Minimum zwischen den beiden Methoden auswählen.

Seite 199 gibt Ihnen, was Sie wissen möchten. Jeder Pin kann sicher / empfohlene Quelle / Senke 5/10 / 20ma bei 1,8 / 3 / 5V ohne zu starken Spannungsabfall (+ - 0,5V bei empfohlenem Strom). Maximaler Strom 40 mA pro Pin, Spannungsabfall ist größer. Überschreiten Sie zu keinem Zeitpunkt 60 mA an allen Stiften zusammen. Die Seiten 218-220 enthalten nette kleine Grafiken, die den Spannungsabfall gegenüber dem Stromausgang zeigen.

Niederspannung am VOL-Ausgang (3)
IOL = 20 mA, VCC = 5 V, 0,8 V
IOL = 10 mA, VCC = 3 V, 0,6 V.

VOH-Ausgang Hochspannung (4)
IOH = -20 mA, VCC = 5 V 4,2 V IOH
= -10 mA, VCC = 3 V 2,4 V.

1. Obwohl jeder E / A-Port unter stationären Bedingungen (nicht transient) mehr als die Testbedingungen (20 mA bei VCC = 5 V, 10 mA bei VCC = 3 V) sinken kann, muss Folgendes beachtet werden: 1] Die Summe aller Die IOL sollte für alle Ports 60 mA nicht überschreiten. Wenn die IOL die Testbedingung überschreitet, kann die VOL die zugehörige Spezifikation überschreiten. Es ist nicht garantiert, dass die Pins einen Strom aufnehmen, der größer als die angegebenen Testbedingungen ist.
2. Obwohl jeder E / A-Port unter stationären Bedingungen (nicht transient) mehr als die Testbedingungen (20 mA bei VCC = 5 V, 10 mA bei VCC = 3 V) liefern kann, muss Folgendes beachtet werden: 1] Die Summe aller IOH sollte für alle Ports 60 mA nicht überschreiten. Wenn IOH die Testbedingungen überschreitet, kann VOH die zugehörige Spezifikation überschreiten. Es ist nicht garantiert, dass Pins Strom liefern, der größer als die aufgelisteten Testbedingungen ist.