1 简介
在电路设计过程中,常常会遇到电平不匹配问题。例如MCU引脚使用的1.8V、3.3V、5V等,连接外部接口芯片使用的3.3V、5V等,由于电平不匹配就必须进行电平转换。如果强行将两个不匹配的系统连接在一起,可能会导致信号错误,严重的可能会损坏芯片。
2 需要考虑因素
电平匹配:需要提前分析系统的电平标准,确定所能承受的电压范围。
漏电流:两者之间不但电平要匹配,漏电流还不能互相影响。
驱动能力:电平转换以后还要考虑驱动能力,例如I2C电平转换后,挂载多个I2C设备就需要考虑驱动能力的问题。
电平转换速度:所有的电平转换都是有速度牺牲的,速度最优的方案是专用电平转换芯片,其次是三极管方案,最差的就是电阻分压方案。
电路元器件成本:在电路设计中除了考虑功能的要求外,还要兼顾下成本。
转换通道数量:太复杂的转换方案不适合多路数的情况,会占据太多的面积。
3 电平转换电路设计
3.1 电阻分压
需求: 使用两个电阻实现电平转换,具体电路见下:
电路分析:
该电路的OUTPUT为INPUT的一半,在DDR的电路中得以应用,这种方式最大的缺点是带载能力差。
3.2 二极管实现电平转换
需求: 使用一个二极管就实现电平转换功能,且仅能实现单向转换,具体电路见下:
电路分析:
当INPUT=0时,二极管导通,OUTPUT为二极管上压降,约为0.7V,视为OUTPUT输出低电平;
当INPUT=1时,二极管截止,OUTPUT被R5135上拉至VCC_3V3,视为OUTPUT输出高电平;
3.3 三极管实现电平转换
同向电平转换
需求: 使用一个三极管就实现电平转换功能,且输出电平与输入电平极性相同,具体具体电路见下:
电路分析:
当INPUT=0时,三极管导通,OUTPUT通过三极管下拉至GND,此时OUTPUT输出为低电平;
当INPUT=1时,三极管截止,OUTPUT被R2上拉至VCC_3V3,此时OUTPUT输出为高电平。
反向电平转换
需求: 使用三极管实现电平转换功能,且输入电平与输出电平反向,具体电路设计见下图:
电路分析:
当INPUT=0时,三极管截止,OUTPUT被R6上拉至VCC_3V3,此时OUTPUT输出为高电平;
当INPUT=0时,三极管截止,OUTPUT通过三极管下拉至GND,此时OUTPUT输出为低电平。
3.4 MOS管实现电平转换
双向电平转换
**需求:**使用一个NMOS管就实现双向电平转换功能,且输出电平与输入电平极性相同,具体具体电路见下:
电路分析:
当INPUT=0时,NMOS管导通,OUTPUT通过NMOS下拉至GND,此时OUTPUT输出为低电平;
当INPUT=1时,NMOS管截止,OUTPUT被R5上拉至VCC_5V0,此时OUTPUT输出为高电平;
当OUTPUT=0时,体二极管导通,INPUT为体二极管上压降(约0.7V),可视为INPUT为低电平;
当OUTPUT=1时,体二极管和NMOS管均截止,INPOT被R上拉至VCC_1V8,INPIT输出高电平。
单向电平转换
需求: 使用NMOS管实现电平转换功能,且输入电平与输出电平反向,具体电路设计见下图:
电路分析:
当INPUT=0时,NMOS管截止,OUTPUT被R11上拉至VCC_5V3,此时OUTPUT输出为高电平;
当INPUT=0时,NMOS管截止,OUTPUT通过三极管下拉至GND,此时OUTPUT输出为低电平。
3.5 专用电平转换芯片
双向电平转换芯片
需求: 可实现高速的双向的电平转换,具体电路见下图:
TXS0102DCTT无需方向控制信号,最大传输速率为24Mbps(推挽)、2Mbps(开漏),注意VCCA≤VCCB,且1.65V≤VCCA≤3.6V,2.3V≤VCCB≤ 5.5V。详细信息见下图:
单向电平转换芯片
需求: 可实现高速的单向的电平转换,具体电路见下图:
SN74AVC4T774PW电平转换速率与转换的电平有直接关系,详见下图:
每一路的电平转换的方向都可以独立的进行控制:
DIR为High时,B=A;
DIR为Low时,A=B。
开漏输出电平转换芯片
需求: 可实现高速的单向的电平转换,且输出为开漏输出,具体电路见下图:
其内部结构见下图:
电路分析:
当INPUT输出为低电平时,OUTPUT输出低电平;
当INPUT输出为高电平时,OUTPUT输出高阻态,如输出上拉至VCC_1V8时,输出1.8V电平。
专用电平转换芯片
需求: 使用I2C电平转换,能实现高速IIC通信。
其引脚说明见下图:
4 总结
电平转换优先级:专用电平转换芯片>单向电平转换芯片>双向电平转换芯片>分立器件搭建电平转换。
电平转换芯片在使用过程中,所需要关注电平范围、上电先后顺序以及电源域。
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