幾種常用的電平轉換方案總結

2020-12-25 電子發燒友

幾種常用的電平轉換方案總結

HACK實驗室 發表於 2020-04-13 18:14:44

前段時間在設計NB-IOT模塊與STM32的硬體通訊時用到了電平轉換。當主控晶片引腳電平與外部連接器件電平不匹配的時候就需要用電平轉換電路來進行轉換。這幾乎是每一個電子工程師都會遇到的一個問題。今天我就總結一下幾種常用的電平轉換方案，希望對大家有所幫助。

1.使用電平轉換晶片

這可能是所有方案裡面最穩定可靠省事的了，給轉換晶片兩側供需要轉換的兩個電源，然後在晶片的輸入輸出接上需要轉換的輸入輸出信號就OK了，所有轉換部分都由晶片內部完成。下圖為德州儀器的TXB0108雙向電平轉換器。

TXB0108

這種方案的優點很多，上面的這款轉換器在VccA供電電壓2.5V以上的時候最高可以達到100Mbps，速度非常快。除此之外還有驅動能力強、使用簡單等優點。當然缺點也是有的，最主要就是價格上毫無優勢，在需要控制成本的項目上就很難使用了。

2.三極體或MOS管轉換電平

這是一種比較常用的方案，我所使用的NB-IOT模塊的datasheet上面就有推薦這種方案。如下圖所示，當TXD端為高電平時，NPN三極體處於截止狀態，RXD端被上拉到其電源電壓；當TXD端為低電平時NPN三極體導通，RXD端被拉低到低電平，完成電平轉換。三極體也可以使用MOS管替換。

這種方案最大的優點莫過於成本低廉，比第一種方案不知便宜了多少倍；再一個就是布局簡單，可以根據電路板的尺寸進行合理布局。這種方案的缺點也是很明顯，就是速度有限制，上面提到的datasheet裡面給出的數據是不適合波特率超過460800bps的應用。

3.使用電阻分壓轉換電平

這種方案應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。我們分析一下這個電路，當3.3V電平模塊向右側發送數據的時候只通過限流電阻，到達右側時的電平在客戶端的接收範圍內。當5V電平客戶端向左側發送數據時通過兩個電阻分壓，左側接收端電壓5V*2K/(1K+2K)≈3.3V。

這種方案的優點不言而喻就是成本極低，只需三個小電阻，同時方便布局，在PCB板上也不佔用空間。當然缺點也是大大的，為了降低功耗那麼分壓部分的電阻值不能選擇太小，這就導致了驅動能力不強同時速度上也不能太快，因為有寄生電容的影響。再一個就是完全沒有隔離會有電流串擾，左右相互影響。

4.二極體鉗位法轉換電平

二極體鉗位法來轉換電平也是一個很常用的方案，具體電路如下圖所示。我們來分析一下這個電路。當左側TXD低電平的時候，由於D2的鉗位作用，使得右側RXD會得到一個等於二極體Vd的低電壓；當左側TXD發出高電平的時候。由於D1的鉗位作用，右側RXD會得到一個3.3V+二極體Vd的高電平。下面一組就更好理解了，當右側TXD發出5V高電平的時候，左側RXD接收到3.3V+Vd的電平，選擇一款低壓降的肖特基二極體就可以使接收到的電平更接近3.3V。

這種方案的優點是成本低廉，好實現，還有就是漏電流很小。缺點通過我們上述的分析大家應該已經知道了，那就是電平存在誤差，這個誤差就是二極體的正向壓降，存在超出晶片正常工作電平的危險；再一個就是速度，因為有上面那個限流電阻的存在是會影響速度的，所以速度只能在100K以內。

5.MOS管與二極體結合轉換電平

這個方案是我經過測試最終選定並使用在項目中的。如下圖所示。我們分析一下，當左側TX低電平的時候，右側RXD為1N5819的正向壓降0.3V；當左側TX高電平3.3V時，右側RXD被拉高到1.8V。當右側TXD低電平的時候，NMOS管導通，左側RX被拉到到低電平；當右側TXD高電平的時候NMOS管截止。左側RX被拉到3.3V。

這種方案其實與第二種方案非常類似，所以優缺點也就差不多了，優點就是成本低廉、驅動能力強。缺點就是速度也不能太快，我在項目中的波特率使用到115200bps工作很穩定，再往上就沒有試過了。

總結

我們總結一下在選擇電平轉換電路時需要注意的幾個點：最重要的就是電平匹配，經過轉換的電平需要在受方的接受範圍內；再一個就是轉換後的驅動能力；還有很重要一點就是速度，如果在要求速度的場合，轉換完波形已經失真，就會導致無法工作；最後就是成本，這個也很關鍵。

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