幾種常用的電平轉(zhuǎn)換方案總結(jié)

前段時(shí)間在設(shè)計(jì)NB-IOT模塊與STM32的硬件通訊時(shí)用到了電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)主控芯片引腳電平與外部連接器件電平不匹配的時(shí)候就需要用電平轉(zhuǎn)換電路來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這幾乎是每一個(gè)電子工程師都會(huì)遇到的一個(gè)問題。今天我就總結(jié)一下幾種常用的電平轉(zhuǎn)換方案，希望對(duì)大家有所幫助。

1.使用電平轉(zhuǎn)換芯片

這可能是所有方案里面最穩(wěn)定可靠省事的了，給轉(zhuǎn)換芯片兩側(cè)供需要轉(zhuǎn)換的兩個(gè)電源，然后在芯片的輸入輸出接上需要轉(zhuǎn)換的輸入輸出信號(hào)就OK了，所有轉(zhuǎn)換部分都由芯片內(nèi)部完成。下圖為德州儀器的TXB0108雙向電平轉(zhuǎn)換器。

TXB0108

這種方案的優(yōu)點(diǎn)很多，上面的這款轉(zhuǎn)換器在VccA供電電壓2.5V以上的時(shí)候最高可以達(dá)到100Mbps，速度非?？?。除此之外還有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然缺點(diǎn)也是有的，最主要就是價(jià)格上毫無優(yōu)勢(shì)，在需要控制成本的項(xiàng)目上就很難使用了。

2.三極管或MOS管轉(zhuǎn)換電平

這是一種比較常用的方案，我所使用的NB-IOT模塊的datasheet上面就有推薦這種方案。如下圖所示，當(dāng)TXD端為高電平時(shí)，NPN三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，RXD端被上拉到其電源電壓；當(dāng)TXD端為低電平時(shí)NPN三極管導(dǎo)通，RXD端被拉低到低電平，完成電平轉(zhuǎn)換。三極管也可以使用MOS管替換。

這種方案最大的優(yōu)點(diǎn)莫過于成本低廉，比第一種方案不知便宜了多少倍；再一個(gè)就是布局簡(jiǎn)單，可以根據(jù)電路板的尺寸進(jìn)行合理布局。這種方案的缺點(diǎn)也是很明顯，就是速度有限制，上面提到的datasheet里面給出的數(shù)據(jù)是不適合波特率超過460800bps的應(yīng)用。

3.使用電阻分壓轉(zhuǎn)換電平

這種方案應(yīng)該是最便宜的一種了，只使用了電阻這一種器件，如下圖所示。我們分析一下這個(gè)電路，當(dāng)3.3V電平模塊向右側(cè)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候只通過限流電阻，到達(dá)右側(cè)時(shí)的電平在客戶端的接收范圍內(nèi)。當(dāng)5V電平客戶端向左側(cè)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)通過兩個(gè)電阻分壓，左側(cè)接收端電壓5V*2K/(1K+2K)≈3.3V。

這種方案的優(yōu)點(diǎn)不言而喻就是成本極低，只需三個(gè)小電阻，同時(shí)方便布局，在PCB板上也不占用空間。當(dāng)然缺點(diǎn)也是大大的，為了降低功耗那么分壓部分的電阻值不能選擇太小，這就導(dǎo)致了驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)同時(shí)速度上也不能太快，因?yàn)橛屑纳?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容的影響。再一個(gè)就是完全沒有隔離會(huì)有電流串?dāng)_，左右相互影響。

4.二極管鉗位法轉(zhuǎn)換電平

二極管鉗位法來轉(zhuǎn)換電平也是一個(gè)很常用的方案，具體電路如下圖所示。我們來分析一下這個(gè)電路。當(dāng)左側(cè)TXD低電平的時(shí)候，由于D2的鉗位作用，使得右側(cè)RXD會(huì)得到一個(gè)等于二極管Vd的低電壓；當(dāng)左側(cè)TXD發(fā)出高電平的時(shí)候。由于D1的鉗位作用，右側(cè)RXD會(huì)得到一個(gè)3.3V+二極管Vd的高電平。下面一組就更好理解了，當(dāng)右側(cè)TXD發(fā)出5V高電平的時(shí)候，左側(cè)RXD接收到3.3V+Vd的電平，選擇一款低壓降的肖特基二極管就可以使接收到的電平更接近3.3V。

這種方案的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，好實(shí)現(xiàn)，還有就是漏電流很小。缺點(diǎn)通過我們上述的分析大家應(yīng)該已經(jīng)知道了，那就是電平存在誤差，這個(gè)誤差就是二極管的正向壓降，存在超出芯片正常工作電平的危險(xiǎn)；再一個(gè)就是速度，因?yàn)橛猩厦婺莻€(gè)限流電阻的存在是會(huì)影響速度的，所以速度只能在100K以內(nèi)。

5.MOS管與二極管結(jié)合轉(zhuǎn)換電平

這個(gè)方案是我經(jīng)過測(cè)試最終選定并使用在項(xiàng)目中的。如下圖所示。我們分析一下，當(dāng)左側(cè)TX低電平的時(shí)候，右側(cè)RXD為1N5819的正向壓降0.3V；當(dāng)左側(cè)TX高電平3.3V時(shí)，右側(cè)RXD被拉高到1.8V。當(dāng)右側(cè)TXD低電平的時(shí)候，NMOS管導(dǎo)通，左側(cè)RX被拉到到低電平；當(dāng)右側(cè)TXD高電平的時(shí)候NMOS管截止。左側(cè)RX被拉到3.3V。

這種方案其實(shí)與第二種方案非常類似，所以優(yōu)缺點(diǎn)也就差不多了，優(yōu)點(diǎn)就是成本低廉、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。缺點(diǎn)就是速度也不能太快，我在項(xiàng)目中的波特率使用到115200bps工作很穩(wěn)定，再往上就沒有試過了。

總結(jié)

我們總結(jié)一下在選擇電平轉(zhuǎn)換電路時(shí)需要注意的幾個(gè)點(diǎn)：最重要的就是電平匹配，經(jīng)過轉(zhuǎn)換的電平需要在受方的接受范圍內(nèi)；再一個(gè)就是轉(zhuǎn)換后的驅(qū)動(dòng)能力；還有很重要一點(diǎn)就是速度，如果在要求速度的場(chǎng)合，轉(zhuǎn)換完波形已經(jīng)失真，就會(huì)導(dǎo)致無法工作；最后就是成本，這個(gè)也很關(guān)鍵。