電平轉(zhuǎn)換電路和電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

一 引言

電平及電源轉(zhuǎn)換電路是硬件設(shè)計中的常見電路，用于將一個電平/電源轉(zhuǎn)換為另一個不同電平/電源，確保外設(shè)之間可以正常通信和工作。

本文將介紹這些電路的設(shè)計要點，以及電平轉(zhuǎn)換電路和電源轉(zhuǎn)換電路的多種實現(xiàn)方法。

二 設(shè)計要點

在設(shè)計電平轉(zhuǎn)換或電源轉(zhuǎn)換電路時，需關(guān)注如下幾個要點：

1、輸入和輸出電壓要求：

在設(shè)計電路之前，首先要明確輸入和輸出信號的電壓要求：

輸入信號的電壓應(yīng)該高于或等于電平轉(zhuǎn)換電路所接受的最低電壓；

輸出信號的電壓應(yīng)該符合目標設(shè)備的耐受要求。

2、驅(qū)動能力及轉(zhuǎn)換速率：

在設(shè)計轉(zhuǎn)換電路時，需要考慮驅(qū)動能力需求以及轉(zhuǎn)換速度要求。

3、電路連接方式：

電平轉(zhuǎn)換電路可以采用幾種不同的連接方式，如單向電平轉(zhuǎn)換、雙向電平轉(zhuǎn)換或多路電平轉(zhuǎn)換等。

4、電路穩(wěn)定性：

在設(shè)計電平轉(zhuǎn)換電路時，需要考慮電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力，以確保電路能夠正常運行并抵抗外部干擾。

5、功耗：

電平/電源轉(zhuǎn)換電路在轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生一定的功耗。

在設(shè)計過程中，尤其是對功耗要求很高的應(yīng)用場景，要重點考慮轉(zhuǎn)換電路帶來的功耗，并采取相應(yīng)措施，以確保電路滿足功耗指標要求。

6、成本：

在硬件電路設(shè)計中，成本始終是一個重要的考慮因素。在設(shè)計轉(zhuǎn)換電路時需要評估不同設(shè)計方案的成本，在成本和性能之間找到平衡點。

7、仿真和測試：

在完成轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計后，進行仿真和測試是非常重要的步驟。通過仿真可以驗證電路的性能和穩(wěn)定性，測試則可以確保電路在實際應(yīng)用中能夠正常工作。

三 通訊信號電平轉(zhuǎn)換的幾種實現(xiàn)方法

以下是幾種常見的通訊信號電平轉(zhuǎn)換電路的實現(xiàn)方法：

1、MOS管電平轉(zhuǎn)換電路

MOS管搭建的電平轉(zhuǎn)換電路是雙向電平轉(zhuǎn)換，電路示例如下圖所示，其原理如下：

（1）信號自高壓向低壓（左側(cè)->右側(cè)）轉(zhuǎn)換時：

左側(cè)高電平時：MOS初始狀態(tài)為截止，右側(cè)輸出高電壓，MOS保持截止；

左側(cè)低電平時：右側(cè)通過MOS內(nèi)的體二極管將輸出信號拉至低電平，而后MOS導(dǎo)通，右側(cè)保持輸出低電平；

（2）信號自右側(cè)->左側(cè)時：

右側(cè)高電平時：MOS截止，左側(cè)通過上拉電阻輸出高電平；

右側(cè)低電平時：MOS導(dǎo)通，左側(cè)輸出低電平；

圖：MOS管電平轉(zhuǎn)換電路

2、三極管電平轉(zhuǎn)換電路

三極管電平轉(zhuǎn)換電路也有多種實現(xiàn)方式。

（1）三極管電平轉(zhuǎn)換電路1

電路分析：

IN=3.3V時：三極管導(dǎo)通，OUT=低電平；

IN=低電平時：三極管截止，OUT=5V

此電路特點是只能實現(xiàn)單向電平轉(zhuǎn)換，且輸入和輸出電壓反相；

圖：三極管電平轉(zhuǎn)換電路1

（2）三極管電平轉(zhuǎn)換電路2

電路分析：

IN=高電平時：Q1三極管導(dǎo)通，Q2三極管截止，OUT=VDD_MCU即高電平；

IN=低電平時：Q1三極管截止，Q2三極管導(dǎo)通，OUT=低電平；

此電路特點是只能實現(xiàn)單向電平轉(zhuǎn)換，且輸入和輸出電壓同相；

圖：三極管電平轉(zhuǎn)換電路2

（3）三極管電平轉(zhuǎn)換電路3

電路分析：

IN即左側(cè)=1.8V時：三極管截止，OUT即右側(cè)=3.3V；

IN即左側(cè)=低電平時：?三極管導(dǎo)通，OUT即右側(cè)=低電平；

此電路特點是只能實現(xiàn)單向電平轉(zhuǎn)換，且輸入和輸出電壓同相，一般在串口通信場景上應(yīng)用較多；

圖：三極管電平轉(zhuǎn)換電路3

綜合以上電路及分析，三極管電平轉(zhuǎn)換電路的優(yōu)缺點也比較明顯：

優(yōu)點：成本低，較為通用；

缺點：只可實現(xiàn)單向電平轉(zhuǎn)換，外圍器件比較多，且通信速率較低（<100Kbps）

3、電平轉(zhuǎn)換芯片

在一些對通信速率要求較高的應(yīng)用場景，可以使用專用的電平轉(zhuǎn)換芯片。

電平轉(zhuǎn)換芯片的優(yōu)點是：開關(guān)速率高、驅(qū)動能力強、漏電流低、外圍器件簡單、電路占用空間小；

電平轉(zhuǎn)換芯片的缺點是：成本高；

以國產(chǎn)的SGM4568芯片為例，這顆芯片最小封裝為3*3mm，有8個雙向電平轉(zhuǎn)換通道，每個通道的最高轉(zhuǎn)換速率可以達到100Mbps。

圖：電平轉(zhuǎn)換芯片框圖

4、二極管電平轉(zhuǎn)換電路

在高壓模塊輸出給低壓模塊時，可以選擇使用二極管完成低壓信號適配。

如下圖示例：

（1）二極管防反：

如下圖所示：

右側(cè)為高壓輸入端，左側(cè)為低壓輸出端。

當輸入端為高電平時，二極管截止，輸出端通過上拉電阻拉高；

當輸入端為低電平時，二極管導(dǎo)通。輸出端通過二極管拉低；

圖：低壓模塊內(nèi)部無鉗位二極管

上述電路在串口電路上應(yīng)用較多。

使用上述電路時，要重點關(guān)注二極管的正向?qū)▔航?。避免低電平時二極管導(dǎo)通壓降過高導(dǎo)致低壓側(cè)不能正確識別低電平。

（2）二極管鉗位1：

圖：低壓模塊內(nèi)部無鉗位二極管

（3）二極管鉗位2：

圖：低壓模塊內(nèi)部有鉗位二極管

上述（2）和（3）兩種電路都需要在高壓模塊和低壓模塊直接添加一個串阻Rser，用于限制流經(jīng)鉗位二極管的電流，避免二極管過流損壞；

二極管鉗位電路使用時有如下風(fēng)險，要重點評估：

（1）由于鉗位二極管會向VDD注入電流，因而VDD電壓可能會被抬升；

（2）鉗位后電壓=VDD+二極管正向?qū)▔航担桕P(guān)注低壓模塊能否耐受；

5、電阻分壓

如下圖所示，部分場景下可以使用電阻分壓的方式實現(xiàn)高壓電平到低壓電平的轉(zhuǎn)換。

為了減小串阻帶來的功耗，R1和R2取值應(yīng)盡量大一些。

負載電容Cs會影響輸入信號的上升/下降時間。

圖：電阻分壓實現(xiàn)的電平轉(zhuǎn)換電路

電阻分壓電路優(yōu)點：便宜，且容易實現(xiàn)；

電阻分壓電路缺點：始終有漏電流存在、驅(qū)動能力受限、開關(guān)速率受限；

6、信號直連

顧名思義，信號直連是指高壓信號和低壓信號直接連接。

直連方案一般不推薦，需謹慎使用。

信號直連可分兩種應(yīng)用場景，使用時也需滿足相應(yīng)條件：

（1）低壓端輸出信號直連至高壓端：

低壓端信號直接輸出給高壓端需滿足如下條件：

低壓端VOH>高壓端的高電平判定閾值；

低壓端的VOL<高壓端的低電平判定閾值；

（2）高壓端輸出信號直連至低壓端：

低壓端需保證能耐受高壓端的高電平信號方可直連。

四 電源轉(zhuǎn)換的幾種實現(xiàn)方法

以下是幾種常見的電源轉(zhuǎn)換電路的實現(xiàn)方法：

1、LDO實現(xiàn)電源降壓：

LDO是低壓差線性穩(wěn)壓器，用于將輸入電源降低至預(yù)設(shè)輸出電壓并保持穩(wěn)定。它可用來為各種類型的電路提供穩(wěn)定的電源電壓。

LDO的基本原理如下：

基準電壓源：LDO內(nèi)部有一個穩(wěn)定的基準電壓源，通常是一個參考電壓源或者內(nèi)部放大電路產(chǎn)生的。

差分放大器：輸入電壓與基準電壓之間進行差分比較，形成一個差動輸入信號。

誤差放大器）：差分放大器將差動輸入信號傳遞給誤差放大器，它會將輸入信號放大并產(chǎn)生一個誤差電壓輸出。

控制電路：誤差電壓輸出被傳遞給控制電路進行處理。

可調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)：控制電路會通過調(diào)整可調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出，控制輸出電壓的變化。

輸出級：調(diào)整后的電壓信號被輸入級級聯(lián)，形成最終的輸出電壓。

圖：LDO框架

LDO的優(yōu)缺點如下：

（1）優(yōu)點：

成本低；

紋波小；

靜態(tài)電流低；

外圍器件簡單；

（2）缺點：

電源效率為輸出電壓/輸入電壓。當輸入輸出壓差大時LDO效率低，發(fā)熱嚴重；

LDO只能降壓，不能升壓；

LDO驅(qū)動能力一般較小，只有幾百mA；

總體而言，LDO具有穩(wěn)定性好、壓差小、負載調(diào)整小、噪聲低、快速響應(yīng)等優(yōu)點，適用于對電壓穩(wěn)定性和噪聲比較敏感的低功耗應(yīng)用。

2、DC-DC實現(xiàn)電源升/降壓

DC-DC電路通常包括一個開關(guān)器件（如MOSFET或BJT）和一個能儲存和釋放能量的儲能元件（如電感或電容）。

開關(guān)器件通過控制開關(guān)狀態(tài)（如芯片內(nèi)部開關(guān)管），使得直流電源的電能以一定的頻率和占空比轉(zhuǎn)移到儲能元件（一般為電感）中，然后通過濾波電路（一般為電容）和反饋回路（一般為反饋電阻），將儲能元件的能量以所需的輸出電壓形式提供給負載電路，最終實現(xiàn)電壓抬升或降低的效果。

DC-DC電路有多種拓撲結(jié)構(gòu)，如降壓（Buck）、升壓（Boost）、升降壓（Buck-Boost）等，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

典型的BUCK電路拓撲如下所示：

圖：BUCK電路拓撲

典型的BOOST電路拓撲如下所示：

圖：BOOST電路拓撲

DC-DC電路的優(yōu)缺點如下：

（1）優(yōu)點：

有升壓、降壓或者升降壓可選；

可輸出大電流（>1A），帶載能力強；

達到一定負載后效率較高，最高可以做到95%左右；

（2）缺點：

外圍器件多（二極管、電感、大電容等）；

成本相比LDO較高；

電源噪聲大；

3、穩(wěn)壓二極管實現(xiàn)電源降壓

除了LDO和DCDC之外，利用穩(wěn)壓二極管也可實現(xiàn)電源降壓。穩(wěn)壓二極管所構(gòu)成的穩(wěn)壓電路是最簡單的線性穩(wěn)壓電源。

電路原理：穩(wěn)壓二極管在PN結(jié)反向擊穿時，其電流可在很大范圍內(nèi)變化而穩(wěn)壓二極管的電壓基本不變，從而實現(xiàn)電源降壓和穩(wěn)壓。

圖：穩(wěn)壓二極管實現(xiàn)電源降壓

在上述電路中，R1電阻限制了流入D1和 MCU的總電流，從而使VDD 可以保持在MCU所允許范圍內(nèi)，需仔細考慮 R1 的選值。

（1）R1和D1的選擇依據(jù)是：

在系統(tǒng)最大負載時：R1上的壓降不能過高，這樣MCU才能正常工作；

在系統(tǒng)最小負載時：D1的VZ電壓也不可超過MCU的最大耐受電壓，且D1功率不能超過其額定功率。

（2）穩(wěn)壓二極管降壓電路的特點如下：

成本很低，可以替代 LDO 使用；

輸出電壓對負載比較敏感；

R1 和 D1 始終有功耗，所以效率較低；

4、二極管實現(xiàn)電源降壓方案

利用二極管的正向?qū)▔航狄部蓪崿F(xiàn)電源降壓，如下圖所示。

使用下述電路時，需注意以下幾點：

R1 電阻：R1電阻不能過小，避免最小負載電流時二極管的壓降太低，出現(xiàn)VDD上的電壓超過MCU上限的問題；

二極管：在最大負載時二極管上的總壓降不能過高，避免VDD分到的電壓達不到MCU最低供電要求；

圖：二極管實現(xiàn)電壓降壓

五 結(jié)語

硬件電平/電源轉(zhuǎn)換電路在現(xiàn)代電子設(shè)計中扮演著關(guān)鍵角色，它們確保了不同設(shè)備之間的互通和協(xié)作。

在設(shè)計這些電路時，必須仔細考慮電平/電源規(guī)格、信號方向、穩(wěn)定性、延遲、功耗以及成本等因素，并選擇合適的實現(xiàn)方法。

審核編輯：湯梓紅