电平转换电路和电源转换电路设计

一 引言

电平及电源转换电路是硬件设计中的常见电路，用于将一个电平/电源转换为另一个不同电平/电源，确保外设之间可以正常通信和工作。

本文将介绍这些电路的设计要点，以及电平转换电路和电源转换电路的多种实现方法。

二 设计要点

在设计电平转换或电源转换电路时，需关注如下几个要点：

1、输入和输出电压要求：

在设计电路之前，首先要明确输入和输出信号的电压要求：

输入信号的电压应该高于或等于电平转换电路所接受的最低电压；

输出信号的电压应该符合目标设备的耐受要求。

2、驱动能力及转换速率：

在设计转换电路时，需要考虑驱动能力需求以及转换速度要求。

3、电路连接方式：

电平转换电路可以采用几种不同的连接方式，如单向电平转换、双向电平转换或多路电平转换等。

4、电路稳定性：

在设计电平转换电路时，需要考虑电路的稳定性和抗干扰能力，以确保电路能够正常运行并抵抗外部干扰。

5、功耗：

电平/电源转换电路在转换时会产生一定的功耗。

在设计过程中，尤其是对功耗要求很高的应用场景，要重点考虑转换电路带来的功耗，并采取相应措施，以确保电路满足功耗指标要求。

6、成本：

在硬件电路设计中，成本始终是一个重要的考虑因素。在设计转换电路时需要评估不同设计方案的成本，在成本和性能之间找到平衡点。

7、仿真和测试：

在完成转换电路的设计后，进行仿真和测试是非常重要的步骤。通过仿真可以验证电路的性能和稳定性，测试则可以确保电路在实际应用中能够正常工作。

三 通讯信号电平转换的几种实现方法

以下是几种常见的通讯信号电平转换电路的实现方法：

1、MOS管电平转换电路

MOS管搭建的电平转换电路是双向电平转换，电路示例如下图所示，其原理如下：

（1）信号自高压向低压（左侧->右侧）转换时：

左侧高电平时：MOS初始状态为截止，右侧输出高电压，MOS保持截止；

左侧低电平时：右侧通过MOS内的体二极管将输出信号拉至低电平，而后MOS导通，右侧保持输出低电平；

（2）信号自右侧->左侧时：

右侧高电平时：MOS截止，左侧通过上拉电阻输出高电平；

右侧低电平时：MOS导通，左侧输出低电平；

图：MOS管电平转换电路

2、三极管电平转换电路

三极管电平转换电路也有多种实现方式。

（1）三极管电平转换电路1

电路分析：

IN=3.3V时：三极管导通，OUT=低电平；

IN=低电平时：三极管截止，OUT=5V

此电路特点是只能实现单向电平转换，且输入和输出电压反相；

图：三极管电平转换电路1

（2）三极管电平转换电路2

电路分析：

IN=高电平时：Q1三极管导通，Q2三极管截止，OUT=VDD_MCU即高电平；

IN=低电平时：Q1三极管截止，Q2三极管导通，OUT=低电平；

此电路特点是只能实现单向电平转换，且输入和输出电压同相；

图：三极管电平转换电路2

（3）三极管电平转换电路3

电路分析：

IN即左侧=1.8V时：三极管截止，OUT即右侧=3.3V；

IN即左侧=低电平时： 三极管导通，OUT即右侧=低电平；

此电路特点是只能实现单向电平转换，且输入和输出电压同相，一般在串口通信场景上应用较多；

图：三极管电平转换电路3

综合以上电路及分析，三极管电平转换电路的优缺点也比较明显：

优点：成本低，较为通用；

缺点：只可实现单向电平转换，外围器件比较多，且通信速率较低（<100Kbps）

3、电平转换芯片

在一些对通信速率要求较高的应用场景，可以使用专用的电平转换芯片。

电平转换芯片的优点是：开关速率高、驱动能力强、漏电流低、外围器件简单、电路占用空间小；

电平转换芯片的缺点是：成本高；

以国产的SGM4568芯片为例，这颗芯片最小封装为3*3mm，有8个双向电平转换通道，每个通道的最高转换速率可以达到100Mbps。

图：电平转换芯片框图

4、二极管电平转换电路

在高压模块输出给低压模块时，可以选择使用二极管完成低压信号适配。

如下图示例：

（1）二极管防反：

如下图所示：

右侧为高压输入端，左侧为低压输出端。

当输入端为高电平时，二极管截止，输出端通过上拉电阻拉高；

当输入端为低电平时，二极管导通。输出端通过二极管拉低；

图：低压模块内部无钳位二极管

上述电路在串口电路上应用较多。

使用上述电路时，要重点关注二极管的正向导通压降。避免低电平时二极管导通压降过高导致低压侧不能正确识别低电平。

（2）二极管钳位1：

图：低压模块内部无钳位二极管

（3）二极管钳位2：

图：低压模块内部有钳位二极管

上述（2）和（3）两种电路都需要在高压模块和低压模块直接添加一个串阻Rser，用于限制流经钳位二极管的电流，避免二极管过流损坏；

二极管钳位电路使用时有如下风险，要重点评估：

（1）由于钳位二极管会向VDD注入电流，因而VDD电压可能会被抬升；

（2）钳位后电压=VDD+二极管正向导通压降，需关注低压模块能否耐受；

5、电阻分压

如下图所示，部分场景下可以使用电阻分压的方式实现高压电平到低压电平的转换。

为了减小串阻带来的功耗，R1和R2取值应尽量大一些。

负载电容Cs会影响输入信号的上升/下降时间。

图：电阻分压实现的电平转换电路

电阻分压电路优点：便宜，且容易实现；

电阻分压电路缺点：始终有漏电流存在、驱动能力受限、开关速率受限；

6、信号直连

顾名思义，信号直连是指高压信号和低压信号直接连接。

直连方案一般不推荐，需谨慎使用。

信号直连可分两种应用场景，使用时也需满足相应条件：

（1）低压端输出信号直连至高压端：

低压端信号直接输出给高压端需满足如下条件：

低压端VOH>高压端的高电平判定阈值；

低压端的VOL<高压端的低电平判定阈值；

（2）高压端输出信号直连至低压端：

低压端需保证能耐受高压端的高电平信号方可直连。

四 电源转换的几种实现方法

以下是几种常见的电源转换电路的实现方法：

1、LDO实现电源降压：

LDO是低压差线性稳压器，用于将输入电源降低至预设输出电压并保持稳定。它可用来为各种类型的电路提供稳定的电源电压。

LDO的基本原理如下：

基准电压源：LDO内部有一个稳定的基准电压源，通常是一个参考电压源或者内部放大电路产生的。

差分放大器：输入电压与基准电压之间进行差分比较，形成一个差动输入信号。

误差放大器）：差分放大器将差动输入信号传递给误差放大器，它会将输入信号放大并产生一个误差电压输出。

控制电路：误差电压输出被传递给控制电路进行处理。

可调电阻网络：控制电路会通过调整可调电阻网络的输出，控制输出电压的变化。

输出级：调整后的电压信号被输入级级联，形成最终的输出电压。

图：LDO框架

LDO的优缺点如下：

（1）优点：

成本低；

纹波小；

静态电流低；

外围器件简单；

（2）缺点：

电源效率为输出电压/输入电压。当输入输出压差大时LDO效率低，发热严重；

LDO只能降压，不能升压；

LDO驱动能力一般较小，只有几百mA；

总体而言，LDO具有稳定性好、压差小、负载调整小、噪声低、快速响应等优点，适用于对电压稳定性和噪声比较敏感的低功耗应用。

2、DC-DC实现电源升/降压

DC-DC电路通常包括一个开关器件（如MOSFET或BJT）和一个能储存和释放能量的储能元件（如电感或电容）。

开关器件通过控制开关状态（如芯片内部开关管），使得直流电源的电能以一定的频率和占空比转移到储能元件（一般为电感）中，然后通过滤波电路（一般为电容）和反馈回路（一般为反馈电阻），将储能元件的能量以所需的输出电压形式提供给负载电路，最终实现电压抬升或降低的效果。

DC-DC电路有多种拓扑结构，如降压（Buck）、升压（Boost）、升降压（Buck-Boost）等，可以适应不同的应用场景。

典型的BUCK电路拓扑如下所示：

图：BUCK电路拓扑

典型的BOOST电路拓扑如下所示：

图：BOOST电路拓扑

DC-DC电路的优缺点如下：

（1）优点：

有升压、降压或者升降压可选；

可输出大电流（>1A），带载能力强；

达到一定负载后效率较高，最高可以做到95%左右；

（2）缺点：

外围器件多（二极管、电感、大电容等）；

成本相比LDO较高；

电源噪声大；

3、稳压二极管实现电源降压

除了LDO和DCDC之外，利用稳压二极管也可实现电源降压。稳压二极管所构成的稳压电路是最简单的线性稳压电源。

电路原理：稳压二极管在PN结反向击穿时，其电流可在很大范围内变化而稳压二极管的电压基本不变，从而实现电源降压和稳压。

图：稳压二极管实现电源降压

在上述电路中，R1电阻限制了流入D1和 MCU的总电流，从而使VDD 可以保持在MCU所允许范围内，需仔细考虑 R1 的选值。

（1）R1和D1的选择依据是：

在系统最大负载时：R1上的压降不能过高，这样MCU才能正常工作；

在系统最小负载时：D1的VZ电压也不可超过MCU的最大耐受电压，且D1功率不能超过其额定功率。

（2）稳压二极管降压电路的特点如下：

成本很低，可以替代 LDO 使用；

输出电压对负载比较敏感；

R1 和 D1 始终有功耗，所以效率较低；

4、二极管实现电源降压方案

利用二极管的正向导通压降也可实现电源降压，如下图所示。

使用下述电路时，需注意以下几点：

R1 电阻：R1电阻不能过小，避免最小负载电流时二极管的压降太低，出现VDD上的电压超过MCU上限的问题；

二极管：在最大负载时二极管上的总压降不能过高，避免VDD分到的电压达不到MCU最低供电要求；

图：二极管实现电压降压

五 结语

硬件电平/电源转换电路在现代电子设计中扮演着关键角色，它们确保了不同设备之间的互通和协作。

在设计这些电路时，必须仔细考虑电平/电源规格、信号方向、稳定性、延迟、功耗以及成本等因素，并选择合适的实现方法。

审核编辑：汤梓红