如何将5V输出安全转换为3.3V输入

本文重点讲解16种方法，统计如下：

直接连接（警告：仅使用 5V 容限输入!!!）

串联电阻器。

串联电阻器具有外部肖特基二极管箝位，朝向3.3V线路。

带上拉电阻的串联二极管。

带有源钳位的串联电阻器。

电阻和齐纳二极管。

电阻分压器。

BJT/MOSFET 作为逆变器。

两个级联双极型晶体管/MOSFET 作为缓冲器。

漏极/集电极开路输出上的上拉电阻。

增加具有漏极/集电极开路输出的 5V 供电逻辑 IC（缓冲器、栅极等）。

增加具有 5V 容限输入的 3.3V 供电逻辑 IC（缓冲器、栅极等）。

系列 MOSFET（通用栅极配置）。

双极型晶体管系列（通用底座配置）。

电平转换器。

光耦合器

 

1、直接连接（仅限于5V容限输入）

最简单的方法是直接连接。

优势：

没有额外的成本或空间

最快的解决方案

劣势：

仅适用于 5V 容限器件

 

2、串联电阻器

将5V连接至3.3V系统的第二种最简单方法是使用串联电阻。

上图串联电阻器用于将一个 5V 输出连接至一个 3.3V 输入。输入端必须有其保护二极管。 工作原理如下： 3.3V（非5V容限IC）的输入通常由二极管保护：一个朝向VDD，另一个朝向GND，如下图所示。这些二极管通常为关断，因为它们都是反向偏置的。但是，如果尝试输入大于VDD，3.3V的电压，它们会将输入电压箝位为VDD，3.3V（加上正向二极管电压，通常为0.7V）。由于开关器件的电容耦合或振铃，即使在仅3.3V的系统上，也可能发生大于VDD，3.3V的瞬态尖峰。

当5V信号通过电阻馈送到输入端时，二极管将导通：电阻限制流入引脚的电流，保护输入。进入引脚的最大电流有时会在数据表中注明，并且应保持较低水平，原因有两个：

除了漏电流外，没有电流会流入引脚。由于闩锁现象，可能会发生损坏。

流入输入引脚的电流将从VDD引脚流出！如果这样的电流太大，可能会增加整个系统的VDD电压，破坏IC。如果系统的电流消耗大于流入PIN的电流，那么应该没有问题。否则，建议在VDD，3.3V和GND之间放置一个虚拟负载。负载的值应使其至少吸附流入所有输入的电流。

要计算，只需将输入电流视为I=（5V-3.3V）/RS。然后在VDD，3.3V和GND之间放置一个电阻，使其将吸收相同的电流I。换句话说：RLOAD = RS 3.3V （5V-3.3V） 或约 2 RS。如果有多个输入，则必须相应地降低 RLOAD。如果您的系统已经从3.3V吸收“I”（例如，由于IC电流消耗或存在始终接通的LED），那么您可以省略或增加RLOAD。. 该解决方案还有另一个缺点：除非使用低值电阻，否则它会严重限制带宽。事实上，输入引脚和走线都会有一定的寄生电容.

优势：

简单的解决方案：每个输入引脚只有一个电阻。

劣势：

高功率使用率（使用低值电阻器）或低带宽（高值电阻器）。

输出过载（使用低值电阻器）

进入输入端的电流可能会导致锁存。

如果 3.3V 系统具有非常低的最小电流消耗，则需要在 3.3V 电源上使用一个外部负载电阻器。

3.3V电源上可能由于电流注入而产生噪声。

3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

 

3、串联电阻器，带有朝向 3.3V线路的外部肖特基二极管箝位

该电路与以前的解决方案类似，但可以实现更快的速度，因为大部分电流将由肖特基二极管承载，而不是保护二极管。 这仍然有将电流馈送到VDD，3.3V线的缺点。因此，系统必须“消耗”这种电流，如前一种情况所示。

优势：

可实现更大的带宽。

注入输入引脚的电流可忽略不计。

劣势：

每个输入需要两个元件（电阻和肖特基二极管）。

高功率使用率（使用低值电阻器）或低带宽（高值电阻器）。

输出过载（使用低值电阻器）

如果 3.3V 系统具有非常低的最小电流消耗，则需要在 3.3V 电源上使用一个外部负载电阻器。

3.3V电源上可能由于电流注入而产生噪声。

还必须考虑二极管的电容。

3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

 

4、带有源钳位的串联电阻器。

与其将输入电流重定向到VDD，3.3V，不如将其耗散到地，这样就不会发生VDD，3.3V电平变化。

当输入电压大于3.9V时，PNP BJT将持续传导。该解决方案允许使用更小的电阻（更高的带宽）。 值得注意的是，仍然有电流注入VDD，3.3V，但是，这种电流将比流入RS的电流小很多倍。

另一个问题是，在某些IC上，当输入端的值比3.3V电平低至0.35V时，它们的保护二极管开始导通。在这种情况下，BJT基极不应连接到3.3V，而应连接到稍小的电压（如果系统上可用）。

优势：

可实现更大的带宽。

注入3.3V电源线的电流非常小。

小电流注入输入引脚。

劣势：

每个输入需要两个元件（电阻和双极型晶体管）。

高功率使用率（使用低值电阻器）或低带宽（高值电阻器）。

输出过载（使用低值电阻器）

如果3.3V系统具有极低的最小电流消耗，则仍可能需要在3.3V电源上使用外部负载电阻。

由于电流注入3.3V电源，3.3V电源上仍可能存在噪声。

在某些情况下，可能需要另一个电源（低于3.3V）将电压箝位到输入保护二极管的导通电压以下。

BJT的电容仍然必须考虑在内。

3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

箝位电压可能过高（约3.9V）。可能需要另一个电压源（小于3.3V）。

 

5、电阻器和齐纳二极管

我们可以不使用BJT，而是使用齐纳二极管，它将电压削波到Vz值。问题在于，低值齐纳二极管具有相当大的动态电阻，并且必须有大电流流入齐纳二极管，才能实际显示Vz值（几mA）。

优势：

带宽类似于肖特基或有源箝位解决方案，因为可以使用低值电阻。

没有电流注入3.3V电源线。

没有电流注入输入引脚。

比BJT或肖特基的成本更低。

箝位电压可以低于BJT。

劣势：

每个输入需要两个元件（电阻和齐纳二极管）。

高功率使用率（使用低值电阻器）或低带宽（高值电阻器）。

输出过载（使用低值电阻器）

还必须考虑二极管的电容。

输出电压并不精确，因为一些低值齐纳二极管的动态电阻非常差。

3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

 

6、带上拉电阻的串联二极管。

如果您的3.3V系统接受高达0.7V的低电平输入电压，则可以使用普通的1N4148二极管，如下所示。如果您想要更大的噪声裕量（或者如果只是0.7V太高），请改用肖特基二极管。 工作原理很简单：当5V系统输出5V时，二极管反极化，因此是开路的。3.3V系统的输入通过R1被上拉至3.3V。然后5V系统输出0V，二极管正向偏置，因此3.3V输入端的电压将是二极管的正向压降：硅二极管约为0.6-0.7V，肖特基二极管约为0.35V。切记使用快速信号二极管！（即不要使用1N4007！）

优势：

带宽类似于肖特基箝位解决方案，因为可以使用低值上拉电阻。

没有电流注入3.3V电源线。

没有电流注入输入引脚。

劣势：

每个输入需要两个元件（电阻和二极管）。

高功率使用率（使用低值电阻器）或低带宽（高值电阻器）。

输出过载（使用低值电阻器）

还必须考虑二极管的电容。

低电平输出电压是二极管的正向压降。

3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

 

7、电阻分压器

降低5V电压的一种简单方法是通过电阻分压器！

电阻分压器相对于单个电阻表现更好。给定相同的带宽，与已经检查过的其他解决方案相比，它消耗的更少（直接连接除外！）

优势：

相对于其他系统（直接连接除外）而言，在相同消耗（或相同带宽下消耗较小）的带宽更好。

没有电流注入3.3V电源线。

没有电流注入输入引脚。

成本低于 BJT、肖特基或齐纳。

对称上升/下降时间。

劣势：

每个输入需要两个元件（两个电阻）。

高功率使用率（使用低值电阻）或低带宽（高值电阻）。

输出过载（使用低值电阻器）

3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

 

8、双极型晶体管/MOSFET 作为逆变器

如果您可以接收反相信号，则可以使用BJT或MOSFET。

带宽主要由上拉电阻和寄生电容（必须包括BJT/MOSFET的电容！）决定。

优势：

没有电流注入3.3V电源线。

无输出过载。

没有电流注入输入引脚。

劣势：

每个输入需要两个或三个元件（BJT/MOSFET和一个或两个电阻器）。

高功耗（使用低值上拉电阻）

反转输出！

3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

 

9、两个级联的双极型晶体管/MOSFET作为缓冲器。

您可以级联两个以前的 BJT/MOSFET 电阻器逆变器。这样，输出就不会反转。

优势：

没有电流注入3.3V电源线。

无输出过载。

没有电流注入输入引脚。

逻辑电平不会反转。

劣势：

需要很多组件！

高功耗（使用低值上拉电阻）

3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

与前一种情况相比，带宽较小，因为两级级联。

 

10、开漏/耦合器输出端上的上拉电阻

仅当输出为集电极/漏极开路时，此方法才有效。

这与“BJT/MOSFET作为逆变器”非常相似。由于输出是漏极开路，因此必须插入一个上拉电阻。

优势：

需要单个电阻器。

没有电流注入引脚。

没有电流注入3.3V线路。

劣势：

高功率使用率（使用低值电阻器）或低带宽（高值电阻器）。

3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

 

11、逻辑IC（缓冲器、栅极等），具有漏极开路/集电极输出。

您可以连接漏极开路/集电极缓冲器/栅极IC，外加一个上拉电阻，如下所示。缓冲器/栅极由5V供电，因此可接受5V。

优势：

没有电流注入引脚。

没有电流注入3.3V线路。

劣势：

高功率使用率（使用低值电阻器）或低带宽（高值电阻器）。

该解决方案需要一个缓冲器和一个电阻器。

3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

 

12、增加具有 5V 容限输入的 3.3V 供电逻辑 IC（缓冲器、栅极等）

您可以连接一个 5V 容限 IC，供电电压为 3.3V，例如 SN74LV1T34。

优势：

没有电流注入引脚。

没有电流注入3.3V线路。

低功耗。

快。

高噪声裕量。

劣势：

成本和空间

 

13、MOSFET 系列（通用栅极配置）

我们可以使用公共栅极配置，而不是在公共源配置中使用MOSFET。MOSFET实际上将是串联的。MOSFET 必须是 2.5V 逻辑电平 MOSFET，否则将无法工作。  

电路的工作原理如下。 当Vin为5V时，MOSFET将关闭，因为VGS = 0V（被R2束缚）。当Vin为0V时，由于MOSFET的漏体寄生二极管，输出最初将变为0.7V。因此，VGS将变为3.3V-0.7V = 2.6V。由于这是一个2.5V逻辑电平MOSFET，MOSFET将导通，现在有效地充当短路。输出为0V。 正如我们将在“连接3.3V至5V系统”中所示，该电路也可以双向工作，即它将3.3V信号转换为5V信号！

优势：

没有电流注入3.3V电源线。

没有电流注入输入引脚。

非反相输出。

可以是双向的。

劣势：

每个输入需要两个元件（MOSFET和一个电阻器）。

高功耗（使用低值上拉电阻）

输出过载（使用低值上拉电阻）

还必须考虑MOSFET的电容。

需要一个 2.5V 逻辑电平 MOSFET。

3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

 

14、双极型晶体管系列（通用底座配置）

也可以使用BJT，但发射器必须在5V侧（MOSFET的源极是在3.3V侧！

其工作原理如下：当输入为5V时，VBE=-1.7，因此BJT为OFF。3.3V侧上拉。当VIN为0V时，基极-发射极结将正向极化，BJT将导通，将“0”逻辑电平传输到3.3V侧。

优势：

没有电流注入3.3V电源线。

没有电流注入输入引脚。

非反相输出。

劣势：

每个输入需要三个元件（BJT和两个电阻）。

高功耗（使用低值上拉电阻）

输出过载（使用低值上拉电阻）

BJT的电容仍然必须考虑在内。

VCE，sat被添加到低值输出中。

3.3V输入必须具有高阻抗（小输入泄漏，如CMOS）。

 

15、电平转换器

为了实现最快的速度、最低的功耗和更好的信号电平，您可以使用电平转换器 IC，如 74LVC8T245（8 位）或 74LVC1T45（1 位）。然而，它们成本很高，占用空间，并且需要另外两个去耦电容（原理图中未显示）。 通常，电平转换器具有不同数量的输入/输出，它们也可以是双向的（由数据方向控制或自动控制）。

优势：

没有电流注入3.3V电源线。

没有电流注入输入引脚。

非反相输出（也有反相转换器）。

无输出过载。

非常高的带宽。

良好的信号水平。

收发器的输出也可以加载。

静态功耗可忽略不计。

劣势：

成本（电平转换器比一对电阻器或MOSFET/二极管贵得多）。

所需的空间（特别是在需要很少输入的情况下）。

 

16、光耦合器/隔离器

当您需要连接两个单独的系统，或者当您需要在同一电路/系统的两个部分之间进行电气绝缘时，这种技术特别有用，并推荐使用。当处理远高于5V（例如24V）的电压时，它也非常有用。 请注意，这两个系统也可能共享相同的接地，但是，在这种情况下，您将失去它们之间的电气绝缘。 在下面的原理图中，我们展示了一个带有晶体管输出的标准光耦合器。有些光耦合器已经提供了数字，并且在某些情况下不需要Rpu（检查输出是否为集电极开路）。 最近，其他类型的隔离器已经问世。这些不是基于光学的，而是基于电容式，巨磁阻或磁耦合。这些通常更快，但要贵得多。 在所有这些具有直接数字输出的光耦合器/隔离器中，只能使用反相和非反相配置的第一个版本（即光耦合器连接在3.3V系统的输入和地之间）。

优势：

两个系统之间的电气绝缘。它不仅提供更好的噪声性能，而且还提高了系统的安全性。

允许将任何电压电平转换为“任何”电压电平。

通过正确选择接地或电源（取决于配置），您可以实现其他类型的电压转换（例如-12V...+12V至0...3.3V转换）。

劣势：

它需要一个光耦合器。

标准光耦合器通常速度较慢。对于高数据速率，需要特殊的“高速”光耦合器。

由于内部LED，电流消耗相对较高。

如果需要高带宽，则功耗较高，因为如果需要较小的上升/下降时间，则Rpu/Rpd需要相当小。

以上16种方法，您更喜欢哪种方法？

审核编辑：黄飞