6种电平转换的优缺点.docx

作为一名电子设计的硬件工程师，电平转换是每个人都必须面对的的话题， 主芯片引脚使用的1.2V、1.8V、3.3V等，连接外部接口芯片使用的1.8V、 3.3V、5V等，由于电平不匹配就必须进行电平转换每个工程师都有自己的 一套转换方案，今天我们将 5 种电平转换的方法进行汇总，并且总结各种的优 劣势，避免设计过程踩坑一、电平转换方法5 种电平转换方法分别是，下午我们会从速率、驱动能力、漏电流、成本 通道数五个维度评价1) 晶体管电平转换方法；2) 专用电平转换芯片；3) 限流电阻电平转换方法；4) 电阻分压电平转换方法；5) 二极管电平转换方法；1、使用晶体管转换电平如下图1,使用2个NPN三极管，将输入信号电平VL和转换为输出电平VH, 使用 2 个三极管的目的是将输入和输出信号同相，如果可以接受反相，使用一 个三极管也可以Q4NThNGND图1；晶体管进行电平转换优势：1) 便宜：三极管容易常见并且容易采购，价格低廉(批量几分钱一个)2) 驱动能力强：驱动能力取决于三极管，可以做到数十 mA；3）漏电流低：In 和OUT两者之间的漏电流较小（uA级别），几乎可以忽 略不计劣势：1） 速度：两级三极管属于电流驱动型，加上电路和寄生电容，转换后的波形 不是十分理想。

一般只能用于100K以内的信号转换2） 器件多：同相转换需要 2 个三极管以及配套的电阻，多路转换时占用空间 较多2、使用专用电平芯片转换电平如下图 2，使用专用的电平转换芯片，分别给输入和输出信号提供不同的 电压，转换由芯片内部完成，例如 MCP2551/3221 等电平转换芯片专用芯片是 最可靠的电平转换方案，5 个优点里面占据了 4 个，除了成本S 13^! 电平转换器Low-PowerPlCtfTiscro^ MCU/dsPIG® DSCVco 5.0VVdd&.0VUjiKiinactjonalLevel 1fan3?altkr■CAN—NI匸円弱勺VLPICmicrafe MGU/ ds Fl C® DSCBid ir echo na ILcvelTranshtDrVDOMCP3221H^C™1血皿I1图 2；专用电平转换芯片优势：1) 驱动能力强：专用芯片的输出一般都使用了 CMOS工艺，输出驱动10mA不 在话下2) 漏电流几乎为 0：内部是一些列的放大、比较器，输入阻抗非常高，一般 都达到数百K漏电流基本都是nA级别的3) 路数较多：专用芯片针对不同的应用，从 2 路到数十路都有，十分适合对 面积要求高的场合。

4) 速率高：专用芯片由于集成度较高，工艺较高，，速率从数百K到数百M 的频率都可以做劣势：1) 成本：专用芯片集众多优势于一身，就是成本是最大的劣势，一个普通的 数百 K 速率的 4 通道电平转换芯片，价格至少要 1 元人民币医生，如果使用三 极管做，成本 2 毛钱都不到3、使用电阻分压转换电平 如下图 3，R2 和 R3 构成分压，下图中 Vgprs=3.3*5.6K/(1K+5.6K)=2.8VGPRS模块的的TX由于在发送端，2.8V在右边的接收范围内，所以不需要分压, 只需要增加一个电阻限流txdDR1 r—―|曲aRXDTXD ,1 KR3GPRS模块(2.SV)IMiniARM(3,3V)GND图3；电阻分压法电平转换优势：1) 便宜：便宜是最大的优点，2个电阻一分钱不到；2) 容易实现：电阻采购容易，占用面积小 劣势：1) 速度：分压法为了降低功耗，使用K级别以上的电阻，加上电路和器件的 分布和寄生电容，速率很难上去，一般只能应用于100K以内的频率2) 驱动能力：由于使用了大阻值的电阻，驱动能力被严格控制，并不适合需 要高驱动能力的场合，例如 LED 灯等3) 漏电：漏电是该方案最大的缺点，由于通过电阻直连，左右两端的电压会 流动，从而互相影响。

例如，RS232接口采用该方案，上电瞬间外设就给主芯 片提供2.8V的电平，轻则影响时序导致主芯片无法启动，重则导致主芯片闩锁 效应，烧毁芯片4、使用电阻限流转换电平 有一些技高人胆大的工程师，有时候还会使用一个电阻限流的办法，实现 两个不同电平之间的转换具体的现实原理就是利用芯片的输入电流不超过某 个值，例如74HC系列的芯片的输入电流值不能超过20mA，即可认为是安全的, 如果是5V转3.3V，只要电阻＞(5-3.3V)/20mA=85Q，选择一个1K的电阻， 则认为是安全的因为芯片内部是可以等效一个负载电阻RL，与R1构成分压优势：1) 便宜：便宜是最大的优点，只需要一个电阻就解决2) 容易实现：电阻采购容易，占用面积小劣势：1) 使用电阻限流法需要具备很高超的技术(作者自认为无法驾驭)，不仅需 要十分熟悉芯片内部的构成，而且还要考虑限流后的电压范围，最关键的是， 出问题了以后还容易和芯片厂家扯皮，使用这类方案的工程师，胆是大了，技 不一定高5、使用二极管钳位转换电平 有一些工程师还经常使用二极管钳位的方法进行电平转换，如下图左是3.3V转5V,当3.3V电平为高时，5V输出电压=3.3V+Vd=3.3+0.7~4V，到达5V 的高电平阈值，当3.3V电平输出为低时，5V电平输出电压约二Vd~0.7V，在低 电平阈值范围内。

如下图右是5V转3.3V，输入是高电平时，3.3Vout=3.3V+Vd~4V，当5V 电平输入为低电平时，3.3Vout=OV图 5： 3.3V 转 5V （左），5V 转 3.3V （右）优势：1) 漏电流小：由于二极管的漏电流非常小(uA级)，可以单向防止电源倒灌, 防止3.3V倒灌到5V2) 容易实现：二极管、电阻采购容易，占用面积小 劣势：1) 电平误差大：主要是二极管的正向压降较大，容易超出芯片的工作电压范 围2) 单向防倒灌：只能单向防止倒灌，不能双向防止倒灌3) 速度和驱动能力不理想：由于电阻限流，驱动速度和能力均不理想，只能 应用在100K以内的频率4) 所需器件较多二、使用 DIALOG GREENPAK 的芯片DIALOG的GREENPAK芯片是一种可编程逻辑芯片，它功能强大，应用广泛, 电平转换在GREENPAK中是非常简单的一种应用，任何双电压轨的GREENPAK芯 片都可以非常简单的实现电平转化通常在系统级设计中，需要组合来自两个不同电平的信号，例如模拟电压 轨工作在5V，而数字电压轨工作在3.3V许多GreenPAK通过使用双电压轨 来解决这个问题，来自不同电平的信号都可以输入到GreenPAK，进行处理， 然后从任意电压轨输出。

当使用双电压轨的器件来开始进行一个设计的时候， 需要下图所示的那样，分别输入 2个电压轨的电压范围，两个电压轨的工 作范围随不同器件而有所不同，但是VDD轨总是电压较高的轨m Projtrt: InfoSpecsInfor motionqperpthg candikrurin_3-305.90125.30Hi I1JMaw.U_®t mrdW! 301AOC Cancel三、总结上述 6 种电平转换方法是比较常见的方法，电平转换主要考虑以下几个 维度：1、 电平匹配：这个最重要，转换后的电平需要在对方承受的范围之内2、 漏电流：两者之间不但电平要匹配，漏电流还不能互相影响，这个是最常犯的错作者就见过，有工程师使用二极管电平转换做RS485输出，结果 外部设备的漏电流过来影响自己设备的开机，而且自己的设备启动时输出一 堆乱码，影响对方正常工作3、 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4、 速度：理论上，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5、 成本：成本这个因素交给产品经理考虑吧。

6、 路数：太复杂的转换方案不适合多路数的情况，会占据板卡太多的面积 例如4bit的SD卡信号1.8V转3.3V，就不适合使用三极管方案7、 GREENPAK的可编程逻辑芯片是近年慢慢进入中国的半导体市场，在各种 各样的应用场景均可以找到它的应用，它是基于芯片平台的功能应用开发。