几种电平转换思路简介

只看该作者 · 2023-4-15 17:21

本帖最后由土司Apple 于 2023-4-15 20:01 编辑

1.为什么要进行电平转换?
电平转换针对的是两个或者两个以上的不同电压器件之间的通讯需要进行的一种转换技术两个器件如果供电电压不一样，比如一个是1.8V，另一个是3.3V (一个5V，另一个3.3V)那么在电平不匹配的情况下工作，会造成信号传输出错，如果二者电压相差较大，严重的可能会损坏芯片。
电平转换电路有两种设计方向
1.集成电路2.分立器件搭建
一、专用的电平转换芯片
为啥先介绍这个方式，因为设计简单呀，芯片厂商提供的多种多样的电平转换芯片为不同电压域之间的数据通讯及控制提供了方便。如下图是一款我比较常用的转换芯片，用在4G模组和单片机的通讯，IO的连接等场景中，作为一款双电源供电的双向电平转换芯片，通过检测外部端口的驱动电流来判别转换方向，因此不需要外部的方向控制管脚来选择控制器件转换的方向。工程师在使用它时非常省事儿软件上也无需考虑何时应该去更改它的转换方向。(例如TXS0108EOPWRQ1八双，74LVC4244八单,74LVC164245双，SN74AVC1T45-双)

双电源供电的双向电平转换芯片。
考虑转换频率
集成式的电平转换芯片，如上所说在产品设计中经常使用S0108芯片，下面我是从商城中获得的此款电源转换芯片的参数。从芯片的手册中我们可以清楚的看到电平转换芯片所能支持的最高数据电平的转换速率。Data Rate 24Mbps(pp) 2Mbps(od)，右边是TI家的数据略有不同。实际的使用过程中要考虑这个速率是否满足设计的需要。一般速率高的就是选AD或者TI家的型号。

这张是TI的芯片参数。
再就是在一些芯片手册中还会比较详细的罗列出不同的电平转换之间的数据转换速率。这时候就要根据自己电路设计的具体情况来查看不同的电平转换所支持的做大电平转换的速率。其实集成电路的选择就比较简单一些除了考虑电压的转换范围，再就是速率的支持了。如果这两个都在芯片的性能范围之内，就可以使用了。不用像分立器件单间的电路那样需要考虑很多因素，这也就为产品设计带来了比较高的效率。产品主要是追求设计的效率和稳定性，座椅集成芯片不失为一个好的思路。
除此之外，在别的论坛里也看到要考虑信号的转换时间呀，压摆率呀，信号的传播延时呀，信号之间的时间差等。这个就比较细节了，一般速度不是很高的场景，到是没有考虑这么多。在高速场景下可能就要考虑这些细节了吧！如果有啥不同的意见可以留言改正哈，这些参数应该是更加进阶的场景应用了。
二、分立元器件搭建
分立器件搭建电平转换电路的方式有很多，如下图为一款单向电平转换的分立电路。其实现原理如下：
左侧IN为输入，右侧OUT为输出，VDDA与VDDB分别为相互转换的两个不同的电压域。
当IN输入0V时，三极管Q1导通，OUT被拉低到接近OV电平，实现低电平转换；
当IN输入高电平(VDDA)时三极管Q1截止，此时OUT被上拉至VDDB，从而实现高电平转换。
此电路属于单向转换电路，转换方向为IN输入，OUT输出，相对来说比较简单。

下面再介绍一种单向转换的电路，如下图实现原理如下:
当输入IN为低电平时，三极管Q1关断，三极管Q2导通，输出OUT被拉低，从而实现低电平转换；
当输入IN为高电平(VDDA)时，三极管Q1导通，从而三极管Q2被拉低关断，从而输出OUT被R4拉高到VDDB，从而实现高电平转换。
此电路只能实现左侧IN输入，右侧OUT输出，不能反向转换。

再看一款MOS管设计的电平转换电路
如图所示是常用的分立器件搭的电平转换电路，具体工作过程如下:
首先当左侧Net1输出高电平时，MOS管Q1的Vgs=0，MOS管关闭，Net2被电阻R2上拉到5V;
其次当Net1输出低电平时，MOS管Q1的Vgs=3.3V，大于导通电压闻值，MOS管导通，Net2通过MOS管被拉低到低电平;
再次当Net2输出高电平时，MOS管01的Vas不变，MOS管维持关闭状态，Net1被电阻R1上拉到3.3V
最后当Net2输出低电平时，MOS管01不导通，MOS管先经过体二极管把Net1拉低到低电平，此时Vgs约为3.3V，MOS管导通，进一步拉低Net的电压;

此外，电路设计也可以依靠仿真软件来进行辅助设计，以评估电路的转换速率等相关的性能。下图是我方仿真电平转换的一张照片。