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實(shí)現電平轉換的6種方法，你會(huì )幾種？

作為一名電子設計的硬件工程師，電平轉換是每個(gè)人都必須面對的的話(huà)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)行電平轉換。每個(gè)工程師都有自己的一套轉換方案，今天我們將6種電平轉換的方法進(jìn)行匯總，并且總結各種的優(yōu)劣勢，避免設計過(guò)程踩坑。

實(shí)現電平轉換的6種方法，你會(huì )幾種？
一、電平轉換方法

5種電平轉換方法分別是，下午我們會(huì )從速率、驅動(dòng)能力、漏電流、成本、通道數五個(gè)維度評價(jià)。：
1) 晶體管電平轉換方法；
2) 專(zhuān)用電平轉換芯片；
3) 限流電阻電平轉換方法；
4) 電阻分壓電平轉換方法；
5) 二極管電平轉換方法；

1、使用晶體管轉換電平
如下圖1，使用2個(gè)NPN三極管，將輸入信號電平VL和轉換為輸出電平VH，使用2個(gè)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(gè)三極管也可以。

圖1；晶體管進(jìn)行電平轉換

優(yōu)勢：
1) 便宜：三極管容易常見(jiàn)并且容易采購，價(jià)格低廉（批量幾分錢(qián)一個(gè)）。
2) 驅動(dòng)能力強：驅動(dòng)能力取決于三極管，可以做到數十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動(dòng)型，加上電路和寄生電容，轉換后的波形不是十分理想。一般只能用于100K以?xún)鹊男盘栟D換。
2) 器件多：同相轉換需要2個(gè)三極管以及配套的電阻，多路轉換時(shí)占用空間較多。

2、使用專(zhuān)用電平芯片轉換電平
如下圖2，使用專(zhuān)用的電平轉換芯片，分別給輸入和輸出信號提供不同的電壓，轉換由芯片內部完成，例如MCP2551/3221等電平轉換芯片。專(zhuān)用芯片是可靠的電平轉換方案，5個(gè)優(yōu)點(diǎn)里面占據了4個(gè)，除了成本。

圖2；專(zhuān)用電平轉換芯片

優(yōu)勢：
1) 驅動(dòng)能力強：專(zhuān)用芯片的輸出一般都使用了CMOS工藝，輸出驅動(dòng)10mA不在話(huà)下。
2) 漏電流幾乎為0：內部是一些列的放大、比較器，輸入阻抗非常高，一般都達到數百K。漏電流基本都是nA級別的。
3) 路數較多：專(zhuān)用芯片針對不同的應用，從2路到數十路都有，十分適合對面積要求高的場(chǎng)合。
4) 速率高：專(zhuān)用芯片由于集成度較高，工藝較高，，速率從數百K到數百M的頻率都可以做。
劣勢：
1) 成本：專(zhuān)用芯片集眾多優(yōu)勢于一身，就是成本是大的劣勢，一個(gè)普通的數百K速率的4通道電平轉換芯片，價(jià)格至少要1元人民幣以上，如果使用三極管做，成本2毛錢(qián)都不到。

3、使用電阻分壓轉換電平
如下圖3，R2和R3構成分壓，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，所以不需要分壓，只需要增加一個(gè)電阻限流。

圖3；電阻分壓法電平轉換

優(yōu)勢：
1) 便宜：便宜是大的優(yōu)點(diǎn)，2個(gè)電阻一分錢(qián)不到；
2) 容易實(shí)現：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，一般只能應用于100K以?xún)鹊念l率。
2) 驅動(dòng)能力：由于使用了大阻值的電阻，驅動(dòng)能力被嚴格控制，并不適合需要高驅動(dòng)能力的場(chǎng)合，例如LED燈等
3) 漏電：漏電是該方案大的缺點(diǎn)，由于通過(guò)電阻直連，左右兩端的電壓會(huì )流動(dòng)，從而互相影響。例如，RS232接口采用該方案，上電瞬間外設就給主芯片提供2.8V的電平，輕則影響時(shí)序導致主芯片無(wú)法啟動(dòng)，重則導致主芯片閂鎖效應，燒毀芯片。
4、使用電阻限流轉換電平
有一些技高人膽大的工程師，有時(shí)候還會(huì )使用一個(gè)電阻限流的辦法，實(shí)現兩個(gè)不同電平之間的轉換。具體的現實(shí)原理就是利用芯片的輸入電流不超過(guò)某個(gè)值，例如74HC系列的芯片的輸入電流值不能超過(guò)20mA，即可認為是**的，如果是5V轉3.3V，只要電阻＞（5-3.3V）/20mA=85Ω，選擇一個(gè)1K的電阻，則認為是**的。因為芯片內部是可以等效一個(gè)負載電阻RL，與R1構成分壓的關(guān)系。

圖4；電阻限流法電平轉換

優(yōu)勢：
1) 便宜：便宜是大的優(yōu)點(diǎn)，只需要一個(gè)電阻就解決。
2) 容易實(shí)現：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)（作者自認為無(wú)法駕馭），不僅需要十分熟悉芯片內部的構成，而且還要考慮限流后的電壓范圍，關(guān)鍵的是，出問(wèn)題了以后還容易和芯片廠(chǎng)家扯皮，使用這類(lèi)方案的工程師，膽是大了，技不一定高。
5、使用二極管鉗位轉換電平
有一些工程師還經(jīng)常使用二極管鉗位的方法進(jìn)行電平轉換，如下圖左是3.3V轉5V，當3.3V電平為高時(shí)，5V輸出電壓=3.3V+Vd=3.3+0.7≈4V，到達5V的高電平閾值，當3.3V電平輸出為低時(shí)，5V電平輸出電壓約=Vd≈0.7V，在低電平閾值范圍內。
如下圖右是5V轉3.3V，輸入是高電平時(shí)，3.3Vout=3.3V+Vd≈4V，當5V電平輸入為低電平時(shí)，3.3Vout=0V。

圖5：3.3V轉5V（左），5V轉3.3V（右）

優(yōu)勢：
1) 漏電流?。河捎诙O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(shí)現：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) 速度和驅動(dòng)能力不理想：由于電阻限流，驅動(dòng)速度和能力均不理想，只能應用在100K以?xún)鹊念l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，應用廣泛，電平轉換在GREENPAK中是非常簡(jiǎn)單的一種應用，任何雙電壓軌的GREENPAK芯片都可以非常簡(jiǎn)單的實(shí)現電平轉化。例如SLG46826V （https://www.dialog-semiconductor.com/SLG46826-datasheet）
通常在系統級設計中，需要組合來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同電平的信號，例如模擬電壓軌工作在 5V，而數字電壓軌工作在 3.3V。許多 GreenPAK 通過(guò)使用雙電壓軌來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，來(lái)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。當使用雙電壓軌的器件來(lái)開(kāi)始進(jìn)行一個(gè)設計的時(shí)候，需要下圖所示的那樣，分別輸入 2 個(gè)電壓軌的電壓范圍，兩個(gè)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

上述6種電平轉換方法是比較常見(jiàn)的方法，電平轉換主要考慮以下幾個(gè)維度：
1) 電平匹配：這個(gè)重要，轉換后的電平需要在對方承受的范圍之內。
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(gè)是常犯的錯。作者就見(jiàn)過(guò)，有工程師使用二極管電平轉換做RS485輸出，結果外部設備的漏電流過(guò)來(lái)影響自己設備的開(kāi)機，而且自己的設備啟動(dòng)時(shí)輸出一堆亂碼，影響對方正常工作。
3) 驅動(dòng)能力：電平轉換以后還要考慮驅動(dòng)能力，例如I2C電平轉換后，掛載多個(gè)I2C設備就需要考慮驅動(dòng)能力的問(wèn)題。
4) 速度：理論上，所有的電平轉換都是有速度犧牲的，速度的方案是專(zhuān)用電平轉換芯片，其次是三極管方案，差的就是電阻分壓方案。
5) 成本：成本這個(gè)因素交給產(chǎn)品經(jīng)理考慮吧。
6) 路數：太復雜的轉換方案不適合多路數的情況，會(huì )占據板卡太多的面積。例如4bit的SD卡信號1.8V轉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)入中國的半導體市場(chǎng)，在各種各樣的應用場(chǎng)景均可以找到它的應用，它是基于芯片平臺的功能應用開(kāi)發(fā)。

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