MAX13046E/MAX13047E：单通道与双通道双向低电平转换器的深度剖析

在多电压系统的数据传输设计中，电平转换是一个关键环节。今天，我们就来深入探讨一下 Maxim Integrated 推出的 MAX13046E/MAX13047E 双向电平转换器，看看它在实际应用中能为我们带来哪些便利和优势。

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一、产品概述

MAX13046E/MAX13047E 是具备 ±15kV ESD 保护的双向电平转换器，可在多电压系统中实现数据传输的电平转换。其中，MAX13046E 为单通道转换器，MAX13047E 为双通道转换器。通过外部施加的电压 (V{CC}) 和 (V{L})，可以设置器件两侧的逻辑电平。该器件采用基于传输门的设计，允许在任何单条数据线上实现双向数据转换（(V{L} leftrightarrow V{CC})）。

工作电压范围

(V{L}) 可接受范围为 +1.1V 至 +3.6V 或 ((V{CC}+0.3V)) 中的最小值，(V_{CC}) 范围为 +1.65V 至 +5.5V，这使得它们非常适合在低电压 ASIC/PLD 与较高电压系统之间进行数据传输。

主要特性

1. 双向电平转换：能在 (V_{L}) 低至 +1.1V 时正常工作。
2. 超低关断模式电源电流：关断模式下电源电流最大为 1μA。
3. 保证的推挽驱动数据速率：在 (+1.2V ≤V{L} leq+3.6V) 且 (V{CC} leq+5.5V) 时为 8Mbps；在 (+1.8V ≤V{L} ≤V{CC} leq+3.3V) 时为 16Mbps。
4. 扩展的 ESD 保护：在 I/O (V_{CC}) 线上提供 ±15kV 人体模型、±15kV IEC61000 - 4 - 2 气隙放电方法和 ±8kV IEC61000 - 4 - 2 接触放电保护。
5. 低电源电流：具备短路保护功能。
6. 节省空间的封装：采用 μDFN 和 UTQFN 封装。

二、产品规格

绝对最大额定值

参数	详情
(V_{CC})	-0.3V 至 +6V
(V_{L})	-0.3V 至 +4V
I/O (V_{CC})	-0.3V 至 ((V_{CC} + 0.3V))
I/O (V_{L})	-0.3V 至 ((V_{L} + 0.3V))
SHDN	-0.3V 至 +6V
短路持续时间（I/O (V{L})、I/O (V{CC}) 到 GND）	连续
功耗（(T = +70°C)）	6 引脚 μDFN（+70°C 以上每升高 1°C 降额 2.1mW）为 168mW；10 引脚 UTQFN（+70°C 以上每升高 1°C 降额 6.9mW）为 559mW
结到环境热阻（(theta_{JC})）	6 引脚 μDFN 为 20.1°C/W；10 引脚 UTQFN 为 143.1°C/W
工作温度范围	-40°C 至 +85°C
结温	+150°C
存储温度范围	-65°C 至 +150°C
引脚温度（焊接，10s）	+300°C

电气特性

电气特性表详细列出了电源、ESD 保护、逻辑电平阈值等参数的具体数值，为设计提供了精确的参考。例如，(V{L}) 电源范围在 (V{CC}>3.3V) 时为 1.1V 至 3.6V，在 (V{CC}≤3.3V) 时为 1.1V 至 (V{CC}+0.3V)；(V_{CC}) 电源范围为 1.65V 至 5.5V。

时序特性

不同 (V{L}) 电压范围下的时序特性有所不同。以 (+1.2V ≤V{L} ≤) 最小值（+3.6V 或 ((V{CC}+0.3V))）为例，推挽驱动时 I/O (V{CC}) 上升时间最小为 7ns，最大为 25ns；I/O (V_{L}) 上升时间最小为 8ns，最大为 30ns 等。

三、功能分析

电平转换

要确保 (+1.65V ≤V{CC} leq+5.5V) 且 (+1.1V ≤V{L} leq) 最小值（+3.6V 或 ((V{CC}+0.3V))），在电源上电顺序中，(V{L} geq(V_{CC}+0.3V)) 不会损坏器件。上升时间加速器电路的速度将 MAX13046E/MAX13047E 的最大数据速率限制为 16Mbps。

上升时间加速器

器件内部具有上升时间加速器，可支持高达 16Mbps 的操作。加速器位于器件两侧，无论数据方向如何，都能加快器件输入和输出的上升时间。其触发机制对电平与边缘都敏感，为保证上升时间加速器正常工作，I/O 线上的最大寄生电容应小于 200pF。

关断模式

将 SHDN 引脚置低可使器件进入关断模式，置高则为正常工作模式。关断模式会断开 I/O (V{CC}) 和 I/O (V{L}) 线上的内部 10kΩ 上拉电阻，使 I/O 线处于高阻抗状态，同时将电源电流降低至小于 1μA。在关断模式下，要注意 I/O (V{L}) 电压不能超过 ((V{L}+0.3V))，I/O (V{CC}) 电压不能超过 ((V{CC}+0.3V))。

单电源断开操作

当 (V{L}) 连接而 (V{CC}) 断开或接地时，器件进入关断模式，此时 I/O (V{L}) 可正常驱动，但数据无法从 I/O (V{L}) 转换到 I/O (V{CC})。若 (V{CC}) 比 (V{L}) 低超过 (V{TH_L_VCC})，器件会断开 I/O (V{L}) 和 I/O (V{CC}) 的上拉电阻。当 (V{CC}) 连接而 (V{L}) 小于 (V{TH_VL}) 时，器件同样进入关断模式，I/O (V{CC}) 可驱动，但数据无法从 I/O (V{CC}) 转换到 I/O (V{L})。

短路保护

热过载检测可保护器件免受短路故障影响。当结温 ((T_{J})) 超过 +150°C 时，器件进入关断模式；当温度冷却到 +140°C 以下时，恢复正常工作。

ESD 保护

所有引脚都集成了 ESD 保护结构，能防止在处理和组装过程中遇到的静电放电。该结构在正常工作、关断模式和掉电状态下都能承受静电放电。I/O (V_{CC}) 线的 ESD 保护特性为：人体模型下 ±15kV，IEC 61000 - 4 - 2 标准下也有相应的保护能力。

四、应用领域

I2C 和 1 - Wire 电平转换

可实现 I/O 线上 +1.1V 至 +5.5V 之间的数据电平转换，适用于低电压 ASIC 与 I2C 设备或 1 - Wire 设备之间的接口，如将低电压微处理器与 +3V 或 +5V D/A 转换器（如 MAX517）、外部存储器（如 DS2502）连接。

其他应用

还可用于 CMOS 逻辑电平转换、手机和便携式设备等领域。

五、设计注意事项

电源去耦

为减少纹波和传输错误数据的可能性，需用 0.1μF 陶瓷电容将 (V{L}) 和 (V{CC}) 旁路到地。为确保全面的 ±15kV ESD 保护，需用 1μF 陶瓷电容将 (V_{CC}) 旁路到地，且所有电容应尽可能靠近电源输入放置。

PCB 布局

良好的 PCB 布局对器件正常工作和最佳上升/下降时间性能至关重要，即使在低数据速率下也需确保正确的高频 PCB 布局。

驱动高电容负载

I/O 线上的电容负载会影响器件驱动信号线时的上升时间（和下降时间），实际上升时间与负载电容、寄生电容、电源电压和器件驱动阻抗有关。需要注意的是，在低数据速率下操作并不能提高电容负载驱动能力。

总之，MAX13046E/MAX13047E 凭借其出色的性能和丰富的功能，在多电压系统的数据传输设计中具有很大的应用价值。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求和电路条件，合理运用这些特性，以实现最佳的设计效果。大家在使用过程中有没有遇到过类似器件的一些特殊问题呢？欢迎在评论区分享交流。