一、單向電平轉(zhuǎn)換電路

1、使用電阻分壓轉(zhuǎn)換電平

這種方案應(yīng)該是最便宜的一種了，只使用了電阻這一種器件，如下圖所示。我們分析一下這個(gè)電路，當(dāng)3.3V電平模塊向右側(cè)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候只通過(guò)限流電阻，到達(dá)右側(cè)時(shí)的電平在客戶端的接收范圍內(nèi)。當(dāng)5V電平客戶端向左側(cè)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)兩個(gè)電阻分壓，左側(cè)接收端電壓5V*2K/(1K+2K)≈3.3V。

【資料圖】

這種方案的優(yōu)點(diǎn)不言而喻就是成本極低，只需三個(gè)小電阻，同時(shí)方便布局，在PCB板上也不占用空間。當(dāng)然缺點(diǎn)也是大大的，為了降低功耗那么分壓部分的電阻值不能選擇太小，這就導(dǎo)致了驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)同時(shí)速度上也不能太快，因?yàn)橛屑纳?u>電容的影響。再一個(gè)就是完全沒(méi)有隔離會(huì)有電流串?dāng)_，左右相互影響。

實(shí)際應(yīng)用電路

充滿電后IC2 6腳(DONE)輸出5V通過(guò)R52、R24兩個(gè)10K電阻分壓成為CPU可識(shí)別的高電平2.5V

2、二極管構(gòu)成的單向電平轉(zhuǎn)換電路

工作原理：如圖所示是使用二極管鉗位的方法進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

如圖1為使用二極管鉗位的方法進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。如圖1是3.3V轉(zhuǎn)5V，當(dāng)3V3_VIN電平為高時(shí)，5V_VOUT=3.3V+Vd(D2)=3.3+0.7≈4V，到達(dá)5V的高電平閾值，當(dāng)3V3_VIN電平輸出為低時(shí)，5V_VOUT輸出電壓約=Vd(D2)≈0.7V，在低電平閾值范圍內(nèi)。

如圖2是5V轉(zhuǎn)3.3V，當(dāng)5V_VIN輸入是高電平時(shí)，3V3_VOUT=3.3V+Vd(D3)≈4V，當(dāng)5V_VIN輸入為低電平時(shí)，3V3_VOUT=0V。

舉例：

工作原理

如圖6中單片機(jī)的RXD為3.3V， 終端設(shè)備的TXD為5V。當(dāng)終端設(shè)備輸出為5V信號(hào)時(shí)，二極管D1不通，RXD通過(guò)上拉電阻R1被拉到單片機(jī)可接受的3.3V電平;當(dāng)終端設(shè)備輸出為低時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，RXD通過(guò)二極管被拉至低電平，不過(guò)此時(shí)的低電平為二極管的正向?qū)▔航担@個(gè)值一定要在單片機(jī)所能識(shí)別的低電平范圍之內(nèi)。

(1)終端設(shè)備RXD和單片機(jī)TXD直接連接的，所以終端設(shè)備能識(shí)別的高電平的最小閾值應(yīng)該小于等于3.3V。

(2)單片機(jī)所能識(shí)別的低電平最大閾值應(yīng)該大于等于二極管的管壓降。

(3)考慮通信速率與低電平電壓幅值，二極管選用高速肖特基二極管，并且VF盡量小。

優(yōu)點(diǎn)：(1)漏電流?。河捎诙O管的漏電流非常小(uA級(jí))，可以單向防止電源倒灌，防止3.3V倒灌到5V。

(2)容易實(shí)現(xiàn)：二極管、電阻采購(gòu)容易，占用面積小。

缺點(diǎn)：(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(dòng)能力不理想：由于電阻限流，驅(qū)動(dòng)速度和能力均不理想，只能應(yīng)用在100K以內(nèi)的頻率。

3、三極管構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路

工作原理：VDDA與VDDB分別為兩個(gè)不同的電壓。

圖3實(shí)現(xiàn)原理：左側(cè)IN為輸入，右側(cè)OUT為輸出，VDDA與VDDB分別為相互轉(zhuǎn)換的兩個(gè)不同的電壓。當(dāng)IN輸入0V時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，OUT被拉低到接近0V 電平，實(shí)現(xiàn)低電平轉(zhuǎn)換;當(dāng)IN輸入高電平VDDA時(shí)，三極管Q1截止，此時(shí)OUT被電阻R3上拉至VDDB，從而實(shí)現(xiàn)高電平轉(zhuǎn)換。此電路屬于單向轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換方向?yàn)镮N輸入，OUT輸出。

圖4實(shí)現(xiàn)原理： 當(dāng)輸入IN為低電平時(shí)，三極管Q2關(guān)斷，三極管Q3導(dǎo)通，輸出OUT被拉低，從而實(shí)現(xiàn)低電平轉(zhuǎn)換;當(dāng)輸入IN為高電平VDDA時(shí)，三極管Q2導(dǎo)通，從而三極管Q3被拉低關(guān)斷，從而輸出OUT被電阻R6拉高到VDDB，從而實(shí)現(xiàn)高電平轉(zhuǎn)換。此電路只能實(shí)現(xiàn)左側(cè)IN輸入，右側(cè)OUT輸出，不能反向轉(zhuǎn)換。

注意事項(xiàng)：圖4中使用2個(gè)三極管的目的是將輸入和輸出信號(hào)同相，如果可以接受反相，使用一個(gè)三極管也可以。

實(shí)際應(yīng)用電路

二、雙向電平轉(zhuǎn)換電路

1、NMOS構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路

工作原理

從左往右 當(dāng)IN端輸出高電平時(shí)，MOS管Q1的Vgs=0，MOS管關(guān)閉，OUT端被電阻R3上拉到VDDB;

當(dāng)IN端輸出低電平時(shí)，MOS管Q1的Vgs=VDDA，大于導(dǎo)通電壓閾值，MOS管導(dǎo)通，OUT端通過(guò)MOS管被拉低到低電平;

當(dāng)IN端輸出高阻狀態(tài)時(shí)，MOS管截止，OUT端被電阻R3上拉到VDDB;

從右往左

當(dāng)OUT端輸出高電平時(shí)，MOS管Q1的Vgs不變，MOS管維持關(guān)閉狀態(tài)，IN端被電阻R1上拉到VDDA;

當(dāng)OUT端輸出低電平時(shí)，MOS管Q1不導(dǎo)通，MOS管先經(jīng)過(guò)體二極管把IN拉低到低電平，此時(shí)Vgs≈VDDA，MOS管導(dǎo)通，進(jìn)一步拉低IN端的電壓;

當(dāng)OUT端輸出高阻狀態(tài)時(shí)，MOS管Q1的Vgs不變，MOS管維持關(guān)閉狀態(tài)，OUT端被電阻R3上拉到VDDB。

注意事項(xiàng)：

(1)在正常操作中，VDDB>=VDDA;

(2)Vgs<=VDDA;Vds<=VDDB;

(3)IN端的低電平門(mén)限大于0.7V左右(視NMOS內(nèi)的二極管壓降而定)。

(4)MOS管的接入方法：MOS管的S極要接到較低電壓那邊，不能接反。

(5)MOS管的選型(MOS管的導(dǎo)通電壓需要注意)： MOS管導(dǎo)通電壓門(mén)限(Vth(GS)里面的最大值)需要小于低電源電壓。

舉例

當(dāng)總線上沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)：兩邊都沒(méi)有主動(dòng)去拉低總線，因此MOS管也不導(dǎo)通，都因?yàn)楦髯缘纳侠娮璐嬖冢筮厼楦唠娖?.3V，右邊為高電平5V。

當(dāng)單片機(jī)需要發(fā)送數(shù)據(jù)1到終端設(shè)備時(shí)：即單片機(jī)TXD為高電平3.3V，MOS管Q2的Vgs=0，MOS管Q2關(guān)閉，右邊因?yàn)樯侠娮璧拇嬖?，終端設(shè)備RXD接口電平保持為5V。即可看作單片機(jī)正常將數(shù)據(jù)1發(fā)送到終端設(shè)備。

當(dāng)單片機(jī)需要發(fā)送數(shù)據(jù)0到終端設(shè)備時(shí)：即單片機(jī)TXD為低電平0V，MOS管Q2的Vgs=3.3V，MOS管Q2導(dǎo)通，右邊電平和左邊電平一樣，終端設(shè)備RXD接口為低電平0V。即可看作單片機(jī)正常將數(shù)據(jù)0發(fā)送到終端設(shè)備。

當(dāng)終端設(shè)備需要發(fā)送數(shù)據(jù)1到單片機(jī)時(shí)：即終端設(shè)備TXD為高電平5V，單片機(jī)RXD因?yàn)闆](méi)有主動(dòng)拉低電平，所以MOS管Q1不導(dǎo)通，左邊保持上拉電平3.3V。即可看作終端設(shè)備將數(shù)據(jù)1正常發(fā)送到單片機(jī)。

當(dāng)終端設(shè)備需要發(fā)送數(shù)據(jù)0到單片機(jī)時(shí)：即終端設(shè)備TXD為低電平0V時(shí)，因?yàn)镸OS管Q1中二極管的存在，管中二極管導(dǎo)通，MOS管Q1的S極被拉低，Vgs接近3.3V，MOS管Q1導(dǎo)通，使得左邊和右邊電平接近，為0V。即可看作終端設(shè)備正常將數(shù)據(jù)0發(fā)送到單片機(jī)。

優(yōu)點(diǎn)：

(1)適用于低頻信號(hào)電平轉(zhuǎn)換，價(jià)格低廉。

(2)導(dǎo)通后，壓降比三極管小。

(3)正反向雙向?qū)ǎ喈?dāng)于機(jī)械開(kāi)關(guān)。

(4)電壓型驅(qū)動(dòng)，需要一定的驅(qū)動(dòng)電流。

2、電平轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成的雙向電平轉(zhuǎn)換電路

上述幾種電平轉(zhuǎn)換方法是比較常見(jiàn)的方法，電平轉(zhuǎn)換主要考慮以下幾個(gè)方面：

(1)電平匹配：這個(gè)是前提，轉(zhuǎn)換后的電平需要在對(duì)方可承受的范圍之內(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。使用二極管電平轉(zhuǎn)換做RS485輸出，可能會(huì)出現(xiàn)外部設(shè)備的漏電流過(guò)來(lái)影響內(nèi)部設(shè)備的開(kāi)機(jī)，而且內(nèi)部的設(shè)備啟動(dòng)時(shí)輸出一堆亂碼，影響對(duì)方正常工作。

(3)驅(qū)動(dòng)能力：電平轉(zhuǎn)換以后還要考慮驅(qū)動(dòng)能力，例如I2C電平轉(zhuǎn)換后，掛載多個(gè)I2C設(shè)備就需要考慮驅(qū)動(dòng)能力的問(wèn)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：在電路設(shè)計(jì)中除了考慮功能的要求外，還要兼顧下成本。

(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(huì)占據(jù)太多的面積。

審核編輯：湯梓紅