模組串口電路常見(jiàn)電平匹配方法

模組UART、IO、IIC、SPI等外圍接口電平域通常為1.8V、2.8V、3V，主流單片機(jī)系統(tǒng)的電平域通常為3.3V和5V，當(dāng)模組與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，由于通信雙方電平不匹配，可能導(dǎo)致通信失敗、電流倒灌、功耗異常、電壓異常等問(wèn)題。為幫助客戶(hù)解決此類(lèi)問(wèn)題，本文將介紹幾種常見(jiàn)的電平匹配方法，建議根據(jù)實(shí)際情況具體選擇。

一、直接連接方式

通信雙方直連，中間串聯(lián)一個(gè)限流電阻，如圖1（2.8V輸出與3.3V輸入）。直連需滿(mǎn)足以下要求：

①2.8V輸出的VOH min大于3.3V輸入的VIH min；

②2.8V輸出的VOL max小于3.3V輸入的VIL max。

若通信雙方進(jìn)行直接連接，必須仔細(xì)閱讀器件規(guī)格書(shū)，了解MCU和模組的IO口輸入輸出特性及參數(shù)；此外，當(dāng)高電壓系統(tǒng)（如5V）輸出高時(shí)，還應(yīng)注意低電壓系統(tǒng)IO 口的耐壓值是否滿(mǎn)足要求。

圖1直接連接

二、電阻分壓方式

通信雙方利用電阻分壓進(jìn)行電平匹配，將3.3V電平轉(zhuǎn)換為2.8V電平，由電阻分壓公式可計(jì)算出對(duì)應(yīng)阻值，如圖2。應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意在功耗和轉(zhuǎn)換時(shí)間之間進(jìn)行權(quán)衡。為了使接口電流的功耗需求最小，R18和R19應(yīng)盡可能大，但寄生電容的存在會(huì)使輸入信號(hào)的上升和下降時(shí)間同步增加，在通信速率較高的情況下，可能導(dǎo)致通信失敗。

圖2電阻分壓

三、二極管鉗位方式

通信雙方利用二極管的鉗位特性進(jìn)行電平匹配，如圖3。

①如果VIN>3.3V+VF，則VOUT=3.3V+VF；

②如果VIN<=3.3V+VF，VOUT=VIN。

（VF：二極管的正向?qū)▔航担?/p>

選用的電阻R20必須要能保護(hù)二極管和3.3V電源，同時(shí)還不會(huì)對(duì)模擬性能造成影響。如果3.3V電源的阻抗太低，那么這種類(lèi)型的鉗位可能致使3.3V電源電壓上升。同時(shí)，在通信速率較高的情況下，由于二極管存在結(jié)電容，此類(lèi)轉(zhuǎn)換可能會(huì)使輸入信號(hào)對(duì)3.3V電源產(chǎn)生干擾。

圖3二極管鉗位

四、二極管穩(wěn)壓方式

通信雙方利用齊納二極管的穩(wěn)壓特性進(jìn)行電平匹配，如圖4。

①如果VIN>VBR，VOUT=VBR；

②如果VIN<=VBR，VOUT=VIN。

（VBR：齊納二極管的反向擊穿電壓）

齊納二極管的速度通常要比二極管鉗位中所使用的快速信號(hào)二極管慢。齊納鉗位一般來(lái)說(shuō)更可靠，鉗位時(shí)不依賴(lài)于電源的特性參數(shù)，鉗位的大小取決于流經(jīng)二極管的電流，由R21的值決定。

圖4二極管穩(wěn)壓

五、二極管隔離方式

通信雙方利用二極管的單向?qū)ㄌ匦赃M(jìn)行電平匹配，如圖5。

①當(dāng)MCU的TXD輸出低電平時(shí)，二極管導(dǎo)通，使得模組的RX電壓為VF（VF為二極管正向?qū)妷海?，一般?.3～0.7V；

②當(dāng)MCU的TXD輸出高電平時(shí)，二極管關(guān)斷，模組的RX端將由上拉電阻R22拉至2.8V；

③當(dāng)模組的TX輸出高電平時(shí)，MCU的RX引腳電壓等于模組的VOH - VF；

④當(dāng)模組的TX輸出低電平時(shí)，二極管關(guān)斷，MCU的RX電壓由下拉電阻R23拉到GND。

圖5二極管隔離

六、三極管單向轉(zhuǎn)換方式

通信雙方利用三極管的開(kāi)關(guān)特性進(jìn)行電平匹配，如圖6。

①當(dāng)MCU的TX輸出高電平時(shí)，三極管截止，模組的RX端由R24上拉至1.8V；

②當(dāng)MCU的TX輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，模組的RX端接收到低電平，完成電平從MCU_TX到MZ_RX的單向轉(zhuǎn)換。

在基極電阻R25上建議并聯(lián)一顆電容C1，可一定程度提高開(kāi)關(guān)速率，稱(chēng)為加速電容。注意此類(lèi)電平轉(zhuǎn)換通信速率不可太高，建議不超過(guò)115200bit/s。實(shí)際使用電路可參考圖7，C14、C15為加速電容，可提高三極管開(kāi)關(guān)速度、優(yōu)化波形、提高波特率，注意容值不可過(guò)大，1nF以下即可。

圖6三極管單向轉(zhuǎn)換

圖7帶有加速電容的三極管轉(zhuǎn)換

七、NMOS雙向電平轉(zhuǎn)換方式

通信雙方利用NMOS管進(jìn)行電平匹配，如圖8。

①當(dāng)1為高電平時(shí)，MOS管截止，3處電壓經(jīng)R3上拉到3.3V，也為高電平；

②當(dāng)1為低電平時(shí)，由于體二極管的存在，使得3（Q1源極）的電壓為VF（體二極管正向?qū)妷海?，?Vgs > Vgs on，從而使得Q1導(dǎo)通，導(dǎo)通后3處的電壓即和1基本等電位，故3也為低電平；

③當(dāng)3為高電平時(shí)，MOS管截止，1處電壓經(jīng)R1上拉到5V，也為高電平；

④當(dāng)3為低電平時(shí)，Vgs=3V，大于MOS管開(kāi)啟電壓Vgson，故MOS管導(dǎo)通，將1處電壓拉低。

因MOS管存在開(kāi)關(guān)速度問(wèn)題，故此種形式的電平轉(zhuǎn)換電路速率不能過(guò)高，一般控制在1MHz以?xún)?nèi)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)模式100kbit/s或快速模式400kbit/s的I2C總線(xiàn)，該電平轉(zhuǎn)換電路不存在任何限制問(wèn)題。應(yīng)用時(shí)需要注意：由于體二極管的存在，電壓低的IO要接S極，電壓高的接D極，不能接反。

圖8 NMOS雙向電平轉(zhuǎn)換

八、電平轉(zhuǎn)換專(zhuān)用IC方式

通信雙方利用電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電平匹配，如圖9、10。電平轉(zhuǎn)換芯片有單向和雙向之分，輸出可分為開(kāi)漏和推挽式，還有通道數(shù)可選，如單通道、雙通道、四通道、八通道等，一般自帶有ESD保護(hù)，可靠性高。常見(jiàn)型號(hào)有：TXS0108EPWR、TXB0102DCUR、74LVX3245MTCX等。其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速率高，性能穩(wěn)定可靠，具有ESD保護(hù)，外圍器件少，節(jié)省PCB空間；缺點(diǎn)是芯片成本較高。

圖9電平轉(zhuǎn)換專(zhuān)用IC(1)

圖10電平轉(zhuǎn)換專(zhuān)用IC(2)