6种电平转换的优缺点

1、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，山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)2)3)4)5)晶体管电平转换方法；专用电平转换芯片：限流电阻电平转换方法：电阻分压电平转换方法：二极管电平转换方法：K使用晶体管转换电平如下图1,使用2个NPN三极管，将输

2、入信号电平VL和转换为输出电平VH, 使用2个三极管的U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。图h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（批量儿分钱一个）。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Oirr两者之间的漏电流较小（uA级别），儿乎可以忽 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,

3、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，转换山芯片内部完成，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。Uniroodo ral Level TransalorMSSCK-SOISDOMCP2515CANSPIMCP2551 盈協SPILow-Power PiCniicro MCUf dsP IC DSCVDD fr.OVVDO53图 13-11电平转换器图2；专用电平转换芯片LOW-POA PICmicro 电 MCU/ HfPIL&nUCBidkocbonal Level TrarslalorVoo

4、MCP3221|2I一J3沪f SDA-*12-bil ADC、A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）漏电流儿乎为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WK。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：专用芯片山于集成度较高，工艺较高，速率从数SK到数SM 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WK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

5、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. 8V。 GPRS模块的的TX由于在发送端，2. 8V在右边的接收范M内，所以不需要分压, 只需要增加一个电阻限流。txdDR1R2 2KXUVR3 56KS2GP RS模块(2.8V)GND图3；电阻分压法电平转换二 RXD O TXDMiniARM(3,3V)优势J1）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

6、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。4s 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

7、,即可认为是安全的, 如果是5V转3.3V,只要电阻 （5-3.3V） /20inA=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, LjRl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J1）i吏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

8、3.3V转5V,当3. 3V电平为高时，5V输出电压=3. 3V+Vd=3. 3+0. 74V,到达5V 的高电平阈值，当3. 3V电平输出为低时，oV电平输出电压约=Vd0. 7V,在低 电平阈值范W内。如下图右是5V转3.3V,输入是高电平时，3. 3Vout=3. 3V+Vd4V,当oV 电平输入为低电平时，3. 3Vout=0VoKtK17*OSM图 5； 3.3V 转 5V （左），5V 转 3.3V （右）优势：1）漏电流小：山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5V。2）容易实现：二极管、电阻采购容易，占用面积小。劣势：电平误差大：主要是二

9、极管的正向压降较大，容易超出芯片的工作电压范1）fflo2）单向防倒灌：只能单向防止倒灌，不能双向防止倒灌。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。所需器件较多。4）3）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,而数字电圧轨工作在3.3V。许多GreenPAK通过使用双电压轨

10、 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。当使用双电圧轨的器件来开始进行一个设il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W随不同器件而有所不同，但是VDD轨总是电压较高的轨。OOO0O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儿个 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ffl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，最差的就是电阻分圧方