用于SPI和I2C總線信號的電平轉(zhuǎn)換器

串行接口通常用于不同集成電路之間的板級通信，特別是在中低數(shù)據(jù)速率的空間受限應用中。最流行的串行接口是I2C和SPI?。如果系統(tǒng)的μP和外圍設備具有不同的電源電壓，則需要合適的電平轉(zhuǎn)換器才能使用這些串行接口之一。今天有幾個原因？系統(tǒng)具有兩個或多個電源電壓。高速μP和DSP在最先進的工藝上實現(xiàn)，以最低的功耗獲得最佳性能。不同電源電壓的另一個原因是將ASIC或FPGA與μP一起使用。對于所有這些應用，設計人員需要一個單向或雙向電平轉(zhuǎn)換器來處理總線信號。MAX3372E-MAX3379E/MAX3390E-MAX3393E系列電平轉(zhuǎn)換器就是為了解決這些問題而設計的。

串行接口通常用于不同集成電路之間的板級通信，特別是在中低數(shù)據(jù)速率的空間受限應用中。最流行的串行接口是I2C和SPI?。

本應用筆記介紹了I2C和SPI以及一些與之接口的電平轉(zhuǎn)換電路。

SPI 總線有 4 個信號：/CS = /芯片選擇，SCLK = 時鐘，D在= 數(shù)據(jù)輸入和 D外= 數(shù)據(jù)輸出。

圖1說明了這些信號的時序。SPI 規(guī)范具有時鐘極性 （CPOL） 和時鐘相位 （CPHA） 位。圖1涉及這些位的最常見組合，CPOL = 0（上升時鐘沿的數(shù)據(jù)傳輸）和CPHA = 0（位定時中間的時鐘轉(zhuǎn)換）。

圖1.SPI 接口的信號和時序。

多個設備可能連接到同一總線，其中所有設備共享 D在和SCLK線。每個器件都有一個單獨的片選信號，以便μP可以通過相關的/CS信號對適當?shù)钠骷M行尋址。如果芯片不與μP（例如DAC）通信，則D外-行不是必需的。SPI總線非常適合20Mbps的數(shù)據(jù)速率。有些器件（例如，RTC，如MAX6901）具有3線接口，其中數(shù)據(jù)線是雙向的。此接口類似于 SPI。

I2C總線有2個信號：SCL = 時鐘，SDA = 數(shù)據(jù)輸入/輸出。

圖2所示為I2C總線的時序。每個設備都有一個唯一的 7 位或 10 位地址。由于數(shù)據(jù)線是雙向的，因此只需要2根線，這在空間受限的應用或電路不同部分必須進行光學隔離的設計中是一個優(yōu)勢。I2C總線的數(shù)據(jù)速率為100kbps、400kbps，甚至μP至高速模式的3.4Mbps。I2C總線需要上拉電阻RP，其中 R 的值P取決于電源電壓和總線電容（連接到總線的器件數(shù)量和總線長度）。

圖2.I2C接口的信號和時序。

如果系統(tǒng)的μP和外圍設備具有不同的電源電壓，則需要合適的電平轉(zhuǎn)換器才能使用這些串行接口之一。當今系統(tǒng)具有兩個或多個電源電壓有幾個原因。高速μP和DSP在最先進的工藝上實現(xiàn)，以最低的功耗獲得最佳性能。這些過程通常限制在3V或更低的電源電壓。典型內(nèi)核電壓為 1.5V-2.5V。另一方面，DA和AD轉(zhuǎn)換器等I/O器件可能具有3.3V或5V的電源電壓，以實現(xiàn)所需的動態(tài)范圍。在便攜式和低功耗應用中，讓μP以盡可能低的電源電壓運行還有另一個原因。典型微處理器的電流消耗取決于時鐘頻率和電源電壓。因此，實現(xiàn)低電流消耗的一種方法是降低電源電壓。這也會導致μP采用與其他器件不同的電源供電的情況。電源電壓不同的另一個原因可能是將ASIC或FPGA與μP一起使用。對于所有這些應用，設計人員需要一個單向或雙向電平轉(zhuǎn)換器來處理總線信號。

圖3所示為具有N溝道MOSFET的基本電平轉(zhuǎn)換器。如果Q2或Q3均未將數(shù)據(jù)線拉低，則Q1的VGS為0V，數(shù)據(jù)1.8的電平為1.8V，數(shù)據(jù)3.3的電平為3.3V。如果Q2將數(shù)據(jù)拉低1.8，則Q1的VGS為1.8V，并將打開Q1，將數(shù)據(jù)拉低3.3。如果Q3將數(shù)據(jù)3.3拉低，則Q1的體二極管將正向偏置，將源極拉至0.3V。VGS將為1.5V，Q1將導通，將數(shù)據(jù)拉低1.8。因此，邏輯電平是雙向轉(zhuǎn)換的。我們假設Q2的導通電阻為零。對于實際應用，我們必須考慮此導通電阻，對于I2C兼容輸出（133.0V/4mA）或3LVC22緩沖器（74.125V/0mA）的最差情況為55Ω。在這種情況下，開啟Q24的電壓VGS將不再是1.1V，而是會更低，具體取決于R8和Q1的導通電阻。

圖3.基本級別的翻譯器。

此電路存在幾個問題：

由于VL為1.8V甚至更低，因此選擇合適的具有足夠低VGS閾值電壓的MOSFET相當有限。一個候選者可能是Supertex的TN2501。

壓擺率和最大傳輸速率取決于R1/R2的值和總線上的器件數(shù)量，后者決定了電容?？梢酝ㄟ^選擇較低值的電阻R1/R2來提高最大傳輸速率。這將導致更高的電流消耗，這在便攜式/低功耗應用中是不可取的。

使用這個簡單的電路，不可能對總線進行三態(tài)并斷開R1/R2。因此，不能關閉總線的各個部分。

MAX3372E-MAX3393E系列電平轉(zhuǎn)換器解決了這些問題。圖4所示為MAX3373E的簡化原理圖，其中增加了兩個MOSFET Q4和Q5。Q4和Q5在上升沿期間短暫收盤，并加速從低到高的過渡。MAX3373E的最小保證數(shù)據(jù)速率為8Mbps，μP至16Mbps為<>Mbps，如果|V抄送， wL|< 0.8V。該系列電平轉(zhuǎn)換器具有三態(tài)模式，其中上拉電阻斷開。這使得它們非常適合多點網(wǎng)絡或控制具有相同地址的I2C器件，其中這些器件位于網(wǎng)絡的不同部分，由電平轉(zhuǎn)換器解耦。

V上的數(shù)據(jù)線抄送-側(cè)具有 ±15kV ESD 保護，這在可通過連接器訪問總線且可能發(fā)生 ESD 沖擊的應用中具有重要特性。如果溫度超過150°C，熱關斷電路將這些電平轉(zhuǎn)換器置于三態(tài)模式。

圖4.改進型電平轉(zhuǎn)換器MAX3373E，帶加速電路

典型應用

圖5所示為MAX3390E電平轉(zhuǎn)換器在電池供電測量電路中的典型應用。MAX4194低功耗儀表放大器放大來自電橋的信號。信號由MAX1270（12位8通道ADC）進行AD轉(zhuǎn)換。模擬前端的電源電壓為5V，低功耗μP的電源電壓為2.5V。MAX3390E電平將SPI信號從2.5V轉(zhuǎn)換至5V，從5V轉(zhuǎn)換至2.5V，用于D。外信號。

圖5.MAX3390E電平轉(zhuǎn)換器，用于SPI總線

圖6所示為采用I2C總線的類似應用。MAX3373E雙電平轉(zhuǎn)換器用于將μP I/O電平連接至MAX1236的I2C兼容接口（4通道12位ADC）。

圖6.MAX3373E雙電平轉(zhuǎn)換器，用于IIC總線應用，可選上拉電阻R聚丙烯.

根據(jù)總線上的器件數(shù)量，可選上拉電阻 R聚丙烯可能需要。MAX3372E-MAX3393E系列電平轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)部10kΩ上拉電阻。在圖7中，我們可以看到，假設我們不連接可選的電阻R，這對于大約90pF的總線電容來說已經(jīng)足夠了。S（RS= 0）。

圖7.R 的最大值P作為標準模式I2C總線的總線電容的函數(shù)，來自I2C規(guī)范。

如果同一總線上有多個器件或總線相對較長（>30cm），則必須使用外部上拉電阻R聚丙烯.圖 8 顯示了 R 的最小值P，對于 R 為 1.7kΩS= 0 和 VDD= 5V。由此我們找到了 R 的最小值聚丙烯為2.2kΩ，使R聚丙烯并聯(lián)內(nèi)部上拉10kΩ為1.83kΩ。

圖8.R 的最小值P作為電源電壓的函數(shù)，值為 RS作為參數(shù)，來自I2C規(guī)范。

總之，MAX3372E-MAX3393E是解決低壓系統(tǒng)中I2C或SPI總線電平轉(zhuǎn)換問題的理想解決方案。保證數(shù)據(jù)速率、低功耗要求、低電源電壓可操作性和小封裝有助于解決當今總線架構設計人員面臨的許多問題。

審核編輯：郭婷