如何實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，多種方法

作為一名電子設(shè)計的硬件工程師，電平轉(zhuǎn)換是每個人都必須面對的的話題，主芯片引腳使用的1.2V、1.8V、3.3V等，連接外部接口芯片使用的1.8V、3.3V、5V等，由于電平不匹配就必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。每個工程師都有自己的 一套轉(zhuǎn)換方案，今天我們將6種電平轉(zhuǎn)換的方法進(jìn)行匯總，并且總結(jié)各種的優(yōu)劣勢，避免設(shè)計過程踩坑。

實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的6種方法，你會幾種？

一、電平轉(zhuǎn)換方法

5種電平轉(zhuǎn)換方法分別是，下午我們會從速率、驅(qū)動能力、漏電流、成本、通道數(shù)五個維度評價。：

1) 晶體管電平轉(zhuǎn)換方法；

2) 專用電平轉(zhuǎn)換芯片；

3) 限流電阻電平轉(zhuǎn)換方法；

4) 電阻分壓電平轉(zhuǎn)換方法；

5) 二極管電平轉(zhuǎn)換方法；

1、使用晶體管轉(zhuǎn)換電平

如下圖1，使用2個NPN三極管，將輸入信號電平VL和轉(zhuǎn)換為輸出電平VH，使用2個三極管的目的是將輸入和輸出信號同相，如果可以接受反相，使用一個三極管也可以。

圖1；晶體管進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換

優(yōu)勢：

1) 便宜：三極管容易常見并且容易采購，價格低廉（批量幾分錢一個）。

2) 驅(qū)動能力強：驅(qū)動能力取決于三極管，可以做到數(shù)十mA；3) 漏電流低：I、和OUT兩者之間的漏電流較?。╱A級別），幾乎可以忽略不計。

劣勢：

1) 速度：兩級三極管屬于電流驅(qū)動型，加上電路和寄生電容，轉(zhuǎn)換后的波形不是十分理想。一般只能用于100K以內(nèi)的信號轉(zhuǎn)換。

2) 器件多：同相轉(zhuǎn)換需要2個三極管以及配套的電阻，多路轉(zhuǎn)換時占用空間較多。

2、使用專用電平芯片轉(zhuǎn)換電平

如下圖2，使用專用的電平轉(zhuǎn)換芯片，分別給輸入和輸出信號提供不同的電壓，轉(zhuǎn)換由芯片內(nèi)部完成，例如MCP2551/3221等電平轉(zhuǎn)換芯片。專用芯片是最可靠的電平轉(zhuǎn)換方案，5個優(yōu)點里面占據(jù)了4個，除了成本。

圖2；專用電平轉(zhuǎn)換芯片

優(yōu)勢：

1) 驅(qū)動能力強：專用芯片的輸出一般都使用了CMOS工藝，輸出驅(qū)動10mA不在話下。

2) 漏電流幾乎為0：內(nèi)部是一些列的放大、比較器，輸入阻抗非常高，一般都達(dá)到數(shù)百K。漏電流基本都是nA級別的。

3) 路數(shù)較多：專用芯片針對不同的應(yīng)用，從2路到數(shù)十路都有，十分適合對面積要求高的場合。

4) 速率高：專用芯片由于集成度較高，工藝較高，，速率從數(shù)百K到數(shù)百M的頻率都可以做。

劣勢：

1) 成本：專用芯片集眾多優(yōu)勢于一身，就是成本是最大的劣勢，一個普通的數(shù)百K速率的4通道電平轉(zhuǎn)換芯片，價格至少要1元人民幣以上，如果使用三極管做，成本2毛錢都不到。

3、使用電阻分壓轉(zhuǎn)換電平

如下圖3，R2和R3構(gòu)成分壓，下圖中Vgprs=3.3*5.6K/（1K+5.6K）=2.8V。GPRS模塊的的TX由于在發(fā)送端，2.8V在右邊的接收范圍內(nèi)，所以不需要分壓，只需要增加一個電阻限流。

圖3；電阻分壓法電平轉(zhuǎn)換

優(yōu)勢：

1) 便宜：便宜是最大的優(yōu)點，2個電阻一分錢不到；2) 容易實現(xiàn)：電阻采購容易，占用面積小。

劣勢：

1) 速度：分壓法為了降低功耗，使用K級別以上的電阻，加上電路和器件的分布和寄生電容，速率很難上去，一般只能應(yīng)用于100K以內(nèi)的頻率。

2) 驅(qū)動能力：由于使用了大阻值的電阻，驅(qū)動能力被嚴(yán)格控制，并不適合需要高驅(qū)動能力的場合，例如LED燈等???

???3) 漏電：漏電是該方案最大的缺點，由于通過電阻直連，左右兩端的電壓會流動，從而互相影響。例如，RS232接口采用該方案，上電瞬間外設(shè)就給主芯片提供2.8V的電平，輕則影響時序?qū)е轮餍酒瑹o法啟動，重則導(dǎo)致主芯片閂鎖效應(yīng)，燒毀芯片。

4、使用電阻限流轉(zhuǎn)換電平

有一些技高人膽大的工程師，有時候還會使用一個電阻限流的辦法，實現(xiàn)兩個不同電平之間的轉(zhuǎn)換。具體的現(xiàn)實原理就是利用芯片的輸入電流不超過某個值，例如74HC系列的芯片的輸入電流值不能超過20mA，即可認(rèn)為是安全的，如果是5V轉(zhuǎn)3.3V，只要電阻＞（5-3.3V）/20mA=85Ω，選擇一個1K的電阻，則認(rèn)為是安全的。因為芯片內(nèi)部是可以等效一個負(fù)載電阻RL，與R1構(gòu)成分壓的關(guān)系。

優(yōu)勢：

1) 便宜：便宜是最大的優(yōu)點，只需要一個電阻就解決。

2) 容易實現(xiàn)：電阻采購容易，占用面積小。

劣勢：

1) 使用電阻限流法需要具備很高超的技術(shù)（作者自認(rèn)為無法駕馭），不僅需要十分熟悉芯片內(nèi)部的構(gòu)成，而且還要考慮限流后的電壓范圍，最關(guān)鍵的是，出問題了以后還容易和芯片廠家扯皮，使用這類方案的工程師，膽是大了，技不一定高。

5、使用二極管鉗位轉(zhuǎn)換電平

有一些工程師還經(jīng)常使用二極管鉗位的方法進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，如下圖左是3.3V轉(zhuǎn)5V，當(dāng)3.3V電平為高時，5V輸出電壓=3.3V+Vd=3.3+0.7≈4V，到達(dá)5V的高電平閾值，當(dāng)3.3V電平輸出為低時，5V電平輸出電壓約=Vd≈0.7V，在低電平閾值范圍內(nèi)。

?　右是5V轉(zhuǎn)3.3V，輸入是高電平時，3.3Vout=3.3V+Vd≈4V，當(dāng)5V電平輸入為低電平時，3.3Vout=0V。

優(yōu)勢：

1) 漏電流小：由于二極管的漏電流非常?。╱A級），可以單向防止電源倒灌，防止3.3V倒灌到5V。

2) 容易實現(xiàn)：二極管、電阻采購容易，占用面積小。

劣勢：

1) 電平誤差大：主要是二極管的正向壓降較大，容易超出芯片的工作電壓范圍。

2) 單向防倒灌：只能單向防止倒灌，不能雙向防止倒灌。

3) 速度和驅(qū)動能力不理想：由于電阻限流，驅(qū)動速度和能力均不理想，只能應(yīng)用在100K以內(nèi)的頻率。

4) 所需器件較多。

二、使用DIALOG GREENPAK的芯片

DIALOG的GREENPAK芯片是一種可編程邏輯芯片，它功能強大，應(yīng)用廣泛，電平轉(zhuǎn)換在GREENPAK中是非常簡單的一種應(yīng)用，任何雙電壓軌的GREENPAK芯片都 可以非常簡單的實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)化。例如SLG46826V 通常在系統(tǒng)級設(shè)計中，需要組合來自兩個不同電平的信號，例如模擬電壓軌工作在 5V，而數(shù)字電壓軌工作在 3.3V。許多 GreenPAK 通過使用雙電壓軌來解決這個問題，來自 不同電平的信號都可以輸入到 GreenPAK，進(jìn)行處理，然后 從任意電壓軌輸出。當(dāng)使用雙電壓軌的器件來開始進(jìn)行一個設(shè)計的時候，需要 下圖所示的那樣，分別輸入 2 個電壓軌的電壓范 圍， 兩個電壓軌的工作范圍隨不同器件而有所不同，但是 VDD 軌總是電壓較高的軌。

三、總結(jié)

上述6種電平轉(zhuǎn)換方法是比較常見的方法，電平轉(zhuǎn)換主要考慮以下幾個維度：

1) 電平匹配：這個最重要，轉(zhuǎn)換后的電平需要在對方承受的范圍之內(nèi)。

2) 漏電流：兩者之間不但電平要匹配，漏電流還不能互相影響，這個是最常犯的錯。作者就見過，有工程師使用二極管電平轉(zhuǎn)換做RS485輸出，結(jié)果外部設(shè)備的漏電流過來影響自己設(shè)備的開機，而且自己的設(shè)備啟動時輸出一堆亂碼，影響對方正常工作。

3) 驅(qū)動能力：電平轉(zhuǎn)換以后還要考慮驅(qū)動能力，例如I2C電平轉(zhuǎn)換后，掛載多個I2C設(shè)備就需要考慮驅(qū)動能力的問題。

4) 速度：理論上，所有的電平轉(zhuǎn)換都是有速度犧牲的，速度最優(yōu)的方案是專用電平轉(zhuǎn)換芯片，其次是三極管方案，最差的就是電阻分壓方案。

5) 成本：成本這個因素交給產(chǎn)品經(jīng)理考慮吧。

6) 路數(shù)：太復(fù)雜的轉(zhuǎn)換方案不適合多路數(shù)的情況，會占據(jù)板卡太多的面積。例如4bit的SD卡信號1.8V轉(zhuǎn)3.3V，就不適合使用三極管方案。

7) GREENPAK的可編程邏輯芯片是近年慢慢進(jìn)入中國的半導(dǎo)體市場，在各種各樣的應(yīng)用場景均可以找到它的應(yīng)用，它是基于芯片平臺的功能應(yīng)用開發(fā)。