硬件电路设计之电平转换电路设计

1 简介

在电路设计过程中，常常会遇到电平不匹配问题。例如MCU引脚使用的1.8V、3.3V、5V等，连接外部接口芯片使用的3.3V、5V等，由于电平不匹配就必须进行电平转换。如果强行将两个不匹配的系统连接在一起，可能会导致信号错误，严重的可能会损坏芯片。

2 需要考虑因素

电平匹配：需要提前分析系统的电平标准，确定所能承受的电压范围。

漏电流：两者之间不但电平要匹配，漏电流还不能互相影响。

驱动能力：电平转换以后还要考虑驱动能力，例如I2C电平转换后，挂载多个I2C设备就需要考虑驱动能力的问题。

电平转换速度：所有的电平转换都是有速度牺牲的，速度最优的方案是专用电平转换芯片，其次是三极管方案，最差的就是电阻分压方案。

电路元器件成本：在电路设计中除了考虑功能的要求外，还要兼顾下成本。

转换通道数量：太复杂的转换方案不适合多路数的情况，会占据太多的面积。

3 电平转换电路设计

3.1 电阻分压

需求： 使用两个电阻实现电平转换，具体电路见下：

电路分析：

该电路的OUTPUT为INPUT的一半，在DDR的电路中得以应用，这种方式最大的缺点是带载能力差。

3.2 二极管实现电平转换

需求： 使用一个二极管就实现电平转换功能，且仅能实现单向转换，具体电路见下：

电路分析：

当INPUT=0时，二极管导通，OUTPUT为二极管上压降，约为0.7V，视为OUTPUT输出低电平；

当INPUT=1时，二极管截止，OUTPUT被R5135上拉至VCC_3V3,视为OUTPUT输出高电平；

3.3 三极管实现电平转换

同向电平转换

需求： 使用一个三极管就实现电平转换功能，且输出电平与输入电平极性相同，具体具体电路见下：

电路分析：

当INPUT=0时，三极管导通，OUTPUT通过三极管下拉至GND，此时OUTPUT输出为低电平；

当INPUT=1时，三极管截止，OUTPUT被R2上拉至VCC_3V3，此时OUTPUT输出为高电平。

反向电平转换

需求： 使用三极管实现电平转换功能，且输入电平与输出电平反向，具体电路设计见下图：

电路分析：

当INPUT=0时，三极管截止，OUTPUT被R6上拉至VCC_3V3，此时OUTPUT输出为高电平；

当INPUT=0时，三极管截止，OUTPUT通过三极管下拉至GND，此时OUTPUT输出为低电平。

3.4 MOS管实现电平转换

双向电平转换

**需求：**使用一个NMOS管就实现双向电平转换功能，且输出电平与输入电平极性相同，具体具体电路见下：

电路分析：

当INPUT=0时，NMOS管导通，OUTPUT通过NMOS下拉至GND，此时OUTPUT输出为低电平；

当INPUT=1时，NMOS管截止，OUTPUT被R5上拉至VCC_5V0，此时OUTPUT输出为高电平；

当OUTPUT=0时，体二极管导通，INPUT为体二极管上压降（约0.7V），可视为INPUT为低电平；

当OUTPUT=1时，体二极管和NMOS管均截止，INPOT被R上拉至VCC_1V8，INPIT输出高电平。

单向电平转换

需求： 使用NMOS管实现电平转换功能，且输入电平与输出电平反向，具体电路设计见下图：

电路分析：

当INPUT=0时，NMOS管截止，OUTPUT被R11上拉至VCC_5V3，此时OUTPUT输出为高电平；

当INPUT=0时，NMOS管截止，OUTPUT通过三极管下拉至GND，此时OUTPUT输出为低电平。

3.5 专用电平转换芯片

双向电平转换芯片

需求： 可实现高速的双向的电平转换，具体电路见下图：

TXS0102DCTT无需方向控制信号，最大传输速率为24Mbps（推挽）、2Mbps（开漏），注意VCCA≤VCCB，且1.65V≤VCCA≤3.6V，2.3V≤VCCB≤ 5.5V。详细信息见下图：

单向电平转换芯片

需求： 可实现高速的单向的电平转换，具体电路见下图：

SN74AVC4T774PW电平转换速率与转换的电平有直接关系，详见下图：

每一路的电平转换的方向都可以独立的进行控制：

DIR为High时，B=A;

DIR为Low时，A=B。

开漏输出电平转换芯片

需求： 可实现高速的单向的电平转换，且输出为开漏输出，具体电路见下图：

其内部结构见下图：

电路分析：

当INPUT输出为低电平时，OUTPUT输出低电平；

当INPUT输出为高电平时，OUTPUT输出高阻态，如输出上拉至VCC_1V8时，输出1.8V电平。

专用电平转换芯片

需求： 使用I2C电平转换，能实现高速IIC通信。

其引脚说明见下图：

4 总结

电平转换优先级：专用电平转换芯片＞单向电平转换芯片＞双向电平转换芯片＞分立器件搭建电平转换。

电平转换芯片在使用过程中，所需要关注电平范围、上电先后顺序以及电源域。