电平设计基础：电平匹配设计

一，单端逻辑电平匹配

单端逻辑电平的匹配是我们平时在硬件设计中最经常碰到的，我们在《TTL&CMOS电平》章节中已经对TTL和COMS电平的匹配设计做了一些分析，一般3.3V LVTTL和LVCMOS是可以直接相互驱动的。但是其它不同逻辑电平之间呢？举个栗子，3.3V逻辑电平和1.8V逻辑电平之间呢？

1，门电路电平匹配方案

如下图所示，利用三极管/MOS管搭建不同电平之间的电路匹配；

1. 如果输入/输出侧接至CPLD/FPGA等逻辑器件的话，可以只用1个三极管/MOS管来实现电平的转换，但是此时逻辑上是取“非”的关系，需要在CPLD/FPGA内部再取“非”操作；

2. 一般电源模块（DC-DC，LDO等）的PG或EN信号，如果没有合适的电平时，适用这种电平转换方式；
3. 由于三极管/MOS管的逻辑电平切换需要时间（开关时间），所以信息传递的延时会比较大；

1, 三极管/MOS管本身切换时间比较慢（具体原因分析，请参考《三极管基础》和《MOS管结构和原理》相关章节）；

2, 三极管/MOS管在B/G极需要达到一定的电压才能导通三极管/MOS管，而在此电压之前三极管/MOS管不会有大动作（开关），会造成一定的延时。

4. 对于较低速率信号，如上右图所示UART数据传输，可以通过三极管来实现不同电平的匹配和防挂死；

——对于数据（非电平状态）的传输，需要对三极管相关参数进行设计，保证其在特定传输速率下能够正常工作（信号边沿时间，占空比，传输延时以及三极管/MOS管支持的最大开关频率等等）。

5. 三极管/MOS管的开启电压VBE/VGS(th) 大小，一般情况下SOT23封装的三极管/MOS管极限开启电压（最大值）可能在1V左右，所以如果是电压在1.0V左右，采用该电平转换方案存在一定的风险；
6. 如左上图所示结构，如果采用三极管/MOS管来作为电源是否OK的判断，那么需要确定确定监测门限，来确定对输入电压的分压大小；

——举个栗子，假如监测2.5V电源是否OK，如果直接输入至MOS管G极，其开启电压：VGS(th)假设为1.0V，那么当2.5V电源电压上升至1.0V时，我们就认为2.5V这路电源电压OK了，这是有问题的；需要对2.5V电源电压进行分压，比如串联1KΩ后再下拉1KΩ，进行50%电源电压的分压，那么当2.5V电源电压上升为2.0V时我们才判断其电源电压OK。当然这是一种粗略且方便的监测设计。

2，逻辑器件电平匹配方案

如果规模较大的硬件电路，我们往往会CPLD来作单板的管理和信号汇聚功能（具体关于CPLD的设计及功能，后续在《硬件详细设计流程-CPLD设计》中详细描述）。我们知道CPLD的I/O管脚有很多个不同的Bank组成，而不同的Bank可以支持不同的供电电源。如下图所示，为Lattice MachXO2系列CPLD支持的不同单端I/O电源电压；其支持1.2V~3.3V的多种电平电压，基本上可以涵盖了一般硬件电路中所涉及到的电平。

那采用CPLD实现不同逻辑电平之间的转换，举个栗子（如下图所示）：器件A是1.2V逻辑电平需要接到3.3V逻辑电平的器件B，设计CPLD的Bank0可以供1.2V而Bank1供3.3V，那么将器件A的信号接至CPLD的Bank0，而器件B的信号接至CPLD的Bank1；只要在CPLD逻辑内部将器件A和器件B的信号线连在一起，就完美地实现了电平转换。但在实际硬件设计上有这么完美么？（完美只存在于“理念世界”）

1. CPLD有VCC和VCCIO两种电源，VCC电源（Core 电源）和VCCIO电源是否有什么关系呢？

1, VCC电源电压要求与VCCIO不一样，如下图所示（Lattice MachXO2系列CPLD支持的Core 电压），core电源电压与VCCIO电源电压本质上是两种不同的电源需求；所以两者可以合用也可以分开来提供，看怎样简单；

2, CPLD器件本身的上电时序，一般会要求VCC要先于或同时于VCCIO上电（后续《硬件详细设计：单板电源分析》详细介绍），否则可能会导致漏电，即VCCIO漏向VCC。

2. 当单板中有多个器件使用了同样的电压，但那些器件由于上电时序的控制要求（或则布局要求，电源本身特殊需求等等），不能同时上电；那么CPLD的VCCIO电源要如何设置呢？

——举个栗子，器件A的I/O电源电压是+1.2V，器件B的I/O电源电压也是+1.2V，但是器件A的I/O电源电压要早于器件B上电，那么CPLD的VCCIO电源要选哪个呢？

1, 建议CPLD的VCCIO电源选择最早的那路，因为一些信号（举个栗子：复位、时钟等）需要器件上电时就要有明确的状态输入，如果CPLD的VCCIO电源较迟上电，那么会导致器件上电和CPLD 的VCCIO上电间隙的状态不确定；

2, CPLD的VCCIO电源早于器件的I/O电源上电，那么在器件的I/O电源还未上电时，CPLD输出的信号线上就有高电平输出到器件I/O管脚上，那么会导致电源电流的倒灌，并产生漏电压；

——举个栗子，如下图所示：P3V3_COM电源先于P3V3_IO上电，当在上电时序间隙，P3V3_COM电源会沿着输入管脚，通过防护二极管漏导P3V3_IO，使得P3V3_IO电源电压抬升；但电源电压被抬升就一定不允许么？1，如果器件资料中明确漏电压必须小于的电压值，那么必须严格执行；因为器件一旦监测到该路电源超过了某电压值，就表示开启了Power On 流程，但实际上漏电流无法支持器件正常工作所需的电流，会导致器件异常（可能需要完全下电后才能恢复）；2，如果器件资料未明确规定漏电压的大小，建议漏电压小于0.5V。

3. 我们已经明确了CPLD选择的VCCIO电源要早或同时于其它器件的上电时序，但是也会引入漏电压的问题，那如何来解决？

1, 与CPLD相连的信号线上拉电源，均使用器件侧I/O电源电压（而不是CPLD的VCCIO电源），这样避免了由于上拉电源导致的漏电流（如上图所示）；

2, CPLD监测单板各路电源的上电状态，

（1）对于CPLD输出管脚：在监测到对接器件I/O电源上电之前，输出保持高阻态，在监测到对接器件I/O电源OK后，输出正常逻辑状态；

（2）对于CPLD输入管脚：保持输入状态，在监测到对接器件I/O电源上电之前，不对输入信号做响应。

3, 特殊信号，举个栗子：复位信号；器件要求上电之前需要保持低电平，而如果信号外接是通过电阻上拉，则需要特殊处理，以保持满足器件的要求。

——对不同的信号做不同的处理：由具体的器件、硬件系统以及应用需求所决定，并非有一个绝对的标准可遵循；所以做硬件设计之前，首先需要明确的是产品应用需求，然后分解系统需求，再是硬件需求，然后才是选择器件，制定硬件设计方案，我们所设计的每个器件、每条走线都是从上述需求中分解下来了的，可以进行验证和解释的。

4. 解决了上述漏电压的问题后，CPLD方案也并非是一个万能的解决方案；如下图所示，CPLD内部的传输延时会比较大（typ：7ns左右），一般情况下7ns的延时是不会产生影响的，但是对于较高速的总线传输来说就会有问题了；此时最好采用专用电平转换器件（延时：百ps级别）。

——举个栗子：50MHz的SPI总线通过CPLD进行电平转换（3.3V—>1.8V），此时的读时序就会受到非常大的影响，导致读失败（关于SPI总线的读时序，后续《总线设计基础》详细分析）。

采用CPLD实现电平转换的设计，虽然整体看起来有点复杂，但这是系统性解决整板电平匹配最简洁、方便的方案。同时，CPLD由于较好的过冲防护设计，以及输出驱动可调等特性，所以在很多应用场合可以省去源端匹配电阻设计，进一步简化单板硬件设计。如下图所示。

3，专用器件电平匹配方案

这类器件非常多，有4路、8路、16路等驱动器（举个栗子：74LVX4245MTCX，SN74LVC16T245等等），只要在对应端口的Vcc电源管脚接上对应的电源电压即可实现电平转换；其延时小，无需考虑漏电电压的问题，对于简单小数量信号线的电平转换是非常好的选择。

除此之外，我们还经常会用到IIC（OD，双向）的电平转换器件，这类双向数据传输的电平转换，如果采用CPLD，实现起来需要比较复杂的逻辑（需识别读、写操作），所以使用专用电平转换器件会方便很多，举个栗子：PCA9517等。

另外，还有一类是自动识别方向的双向电平转换器件，这类器件无需进行方向控制，可以自动识别并进行驱动，举个栗子：TXS0108EPWR等；其好处是使用方便，缺点是如果信号质量设计有问题（不匹配导致过冲），会使得器件的方向识别错误，导致产生信号振荡。

专用器件来实现电平的转换，对于局部电路来说更加简单、方便，也是平时硬件设计中最常用的方法，适合两个器件之间的多个信号的电平转换；如果一个电平转换器件对应多个器件之间的互连，或需要大量使用电平转换器件，那样会导致单板面积和器件成本的增加；可以考虑CPLD。