电平转换

接口电路的设计在电单片机应用场合中还是很重要的，因为如果接口电路没有设计好，严重就会烧芯片，或者烧芯片IO口，轻者就会导致工作紊乱，工作不正常。

有时候这种问题自己在设计调试的时候根本发现不了，在批量生产或者用户在使用的时候才出现芯片被烧掉，或者IO口被烧掉。如果我们在设计的时候能考虑到接口的一些问题就可以减少，提高产品的可靠性。

下面我们就从电流倒灌问题和电平匹配问题进行叙述。

电流倒灌

1、概念

倒灌就是电流流进IC内部，电流总是流入电势低的地方。比如说电压源，一般都是输出电流，但是如果有另一个电源同时存在，并且电势高于这个电源，电流就会流入这个电源，称为倒灌。

2、危害

1）电流太大会将使IO口上的钳位二极管迅速过载并使其损坏。

2）会使单片机复位不成功。

3）会使可编程器件程序紊乱。

4）会出现闩锁效应。

3、原因

如上图，STM32的IO口框图。

当两个单片机进行串口通信，如果其中一个单片机断电，另一个单片机继续供电，正常运行。那么没有断电的单片机的IO口给断电的单片机的IO口供电，并同通过上拉保护二极管向断电的单片机进行供电。或者说两个单片机供电电压不一样，电流就会从供电高的一方流向供电低的一方。

4、解决办法

如上图，加一个小电阻，可以防止过流损坏二极管D1。还可以进行阻抗匹配，因为信号源的阻抗很低，跟信号线之间阻抗不匹配，串上一个电阻后，可改善匹配情况，以减少反射，避免振荡等。也可以减少信号边沿的陡峭程度，从而减少高频噪声以及过冲等。但不能解决灌流在Vcc上建立电压。一般情况下就会选择串电阻，取值范围是几欧到1K欧，根据实际情况而定，小编我喜欢取330欧。

如上图，在信号线上加二极管D3及上拉电阻R1，D3用于阻断灌流通路，R1解决前级输出高电平时使G1的输入保持高电平。

此方法既可解决灌流损坏二极管D1的问题，又可解决灌流在Vcc上建立电压。缺点只适用于速率不快的电路上。如果单片机IO口比较脆弱，或者两边电压不也一样需要低成本进行电平转换，且是但一方向，速率比较低（比如串口）的时候就可以选择该方案。二极管要选择肖特基二极管才比较好。

电平转换

在电路设计过程中，会碰到处理器MCU的I/O电平与模块的I/O电平不相同的问题，为了保证两者的正常通信，需要进行电平转换。如果两边的电平不一样就直接连接进行通信，像TTL电平就会出现上一节将的那样电流倒灌现象。

设计电平转换电路需要几个问题：

（1）VOH>VIH；VOL<vil

各种电平的电压范围，如上图。

（2）对于多电源系统，某些器件不允许输入电平超过电源电压，针对有类似要求的器件，电路上应适当做些保护。

（3）电平转换电路会影响通信速度，所以使用时应当注意通信速率上的要求。

1、NPN三极管电平转换

这个电平转换就是两级三极管电路组成。三极管只能单向进行转换，而且元器件比较多。

2、NMOS电平转换

该电路可实现双向传输，使用条件是VCC2>VCC1+0.7V，这个电路也是小编我常用的电路。

其工作过程是：

Port1向Port2传输：

（1）Port1高电平时，NMOS的Ugs=0V截止，Port2端的电压为VCC2高电平。

（2）Port1低电平时，NMOS的Ugs=3.3V导通，Port2端的电压为Port1端的电压低电平。

Port2向Port1传输：

（1）Port2高电平时，NMOS的Ugs=0V截止，Port1端的电压为VCC1--高电平。

（2）Port2低电平时，NMOS的体二极管导通，使得Vs的电压为0.7V左右，那么Ugs=VCC1-0.7V，只要选择的开启电压小于Ugs电压就可以让MOS管导通，Port1端的电压为Port2端的电压--低电平。

3、使用专用电平芯片转换电平

使用专用的电平转换芯片，分别给输入和输出信号提供不同的电压，转换由芯片内部完成，例如PCA9306DCTR等电平转换芯片。专用芯片是最可靠的电平转换方案。

优势：

1) 驱动能力强：专用芯片的输出一般都使用了CMOS工艺，输出驱动10mA不在话下。

2) 漏电流几乎为0：内部是一些列的放大、比较器，输入阻抗非常高，一般都达到数百K。漏电流基本都是nA级别的。

3) 路数较多：专用芯片针对不同的应用，从2路到数十路都有，十分适合对面积要求高的场合。

4) 速率高：专用芯片由于集成度较高，工艺较高，，速率从数百K到数百M的频率都可以做。

劣势：

1) 成本：专用芯片集众多优势于一身，就是成本是最大的劣势，一个普通的数百K速率的4通道电平转换芯片，价格至少要1元人民币以上，如果使用三极管做，成本2毛钱都不到。

4、使用电阻分压转换电平

优势：

1) 便宜：便宜是最大的优点，2个电阻一分钱不到；

2) 容易实现：电阻采购容易，占用面积小。

劣势：

1) 速度：分压法为了降低功耗，使用K级别以上的电阻，加上电路和器件的分布和寄生电容，速率很难上去，一般只能应用于100K以内的频率。

2) 驱动能力：由于使用了大阻值的电阻，驱动能力被严格控制，并不适合需要高驱动能力的场合，例如LED灯等

3) 漏电：漏电是该方案最大的缺点，由于通过电阻直连，左右两端的电压会流动，从而互相影响。例如，RS232接口采用该方案，上电瞬间外设就给主芯片提供2.8V的电平，轻则影响时序导致主芯片无法启动，重则导致主芯片闩锁效应，烧毁芯片。

5、使用电阻限流转换电平

优势：

1) 便宜：便宜是最大的优点，只需要一个电阻就解决。

2) 容易实现。

劣势：

1) 电阻选值不是很容易选择，需要对芯片内部很熟悉。

6、使用二极管转换电平

优势：

1) 漏电流小：由于二极管的漏电流非常小（uA级），可以单向防止电源倒灌，防止电流倒灌。

2) 容易实现。

劣势：

1) 电平误差大：主要是二极管的正向压降较大，容易超出芯片的工作电压范围。

2) 单向防倒灌：只能单向防止倒灌，不能双向防止倒灌。

3) 速度和驱动能力不理想：由于电阻限流，驱动速度和能力均不理想，只能应用在100K以内的频率。

来源：STM32嵌入式开发

免责声明：本文为转载文章，转载此文目的在于传递更多信息，版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请联系小编进行处理（联系邮箱：cathy@eetrend.com）。

围观 538

英飞凌科技股份公司（FSE: IFX / OTCQX: IFNNY）为进一步壮大电平转换EiceDRIVER™产品阵容，推出1200 V三相栅极驱动器。该器件基于英飞凌独具特色的绝缘体上硅（SOI）技术，具备领先的负瞬态电压抗扰性、出色的闩锁抗扰性、快速过电流保护特性，并实现了真正的自举二极管的单片集成。这些独特的特性有助于减少BOM用料，实现更坚固的设计，并且其紧凑外形适用于工业驱动和嵌入式逆变器应用。

电平转换栅极驱动器6ED2230具备350 mA /650 mA拉电流和灌电流驱动能力。由于它具有集成死区时间，因此可以防止出现直通电流（shoot-through）现象。集成过电流保护比较器具有+/-5%参考阈值精度，可实现快速、可重复、可靠的开关保护。集成自举二极管具备超快速反向恢复特性，提供极低的40 ?6?8典型电阻。

该器件耐受负瞬态电压可达-100 V，支持重复700纳秒宽脉冲，实现出色的耐用性和可靠运行。低压侧和高压侧电源具有独立的欠压锁定（UVLO）功能，可确保安全运行。独特的DSO-24封装将低压和高压分隔在封装的两侧，进一步增加电气间隙和爬电距离。

供货情况

现已可订购采用独特的DSO-24 300 mil封装（行业标准DSO-28封装尺寸）的EiceDRIVER 6ED2230。该封装的引脚数减少，从而具备出色的2 kV HBM模型ESD额定值。如欲了解更多信息，敬请访问：www.infineon.com/SOI。

关于英飞凌

英飞凌科技股份公司是全球领先的半导体科技公司，我们让人们的生活更加便利、安全和环保。英飞凌的微电子产品和解决方案将带您通往美好的未来。2020财年（截止9月30日），公司的销售额达85亿欧元，在全球范围内拥有约46,700名员工。2020年4月，英飞凌正式完成了对赛普拉斯半导体公司的收购，成功跻身全球十大半导体制造商之一。

英飞凌在法兰克福证券交易所（股票代码：IFX）和美国柜台交易市场 OTCQX International Premier（股票代码：IFNNY）挂牌上市。更多信息，请访问www.infineon.com

更多新闻，请登录英飞凌新闻中心：https://www.infineon.com/cms/cn/about-infineon/press/press-releases/

英飞凌中国

英飞凌科技股份公司于1995年正式进入中国大陆市场。自1995年10月在无锡建立第一家企业以来，英飞凌的业务取得非常迅速的增长，在中国拥有约2000名员工，已经成为英飞凌全球业务发展的重要推动力。英飞凌在中国建立了涵盖研发、生产、销售、市场、技术支持等在内的完整的产业链，并在销售、技术研发、人才培养等方面与国内领先的企业、高等院校开展了深入的合作。

围观 12

作为一名电子设计的硬件工程师，电平转换是每个人都必须面对的的话题，主芯片引脚使用的1.2V、1.8V、3.3V等，连接外部接口芯片使用的1.8V、3.3V、5V等，由于电平不匹配就必须进行电平转换。每个工程师都有自己的一套转换方案，今天我们将5种电平转换的方法进行汇总，并且总结各种的优劣势，避免设计过程踩坑。

一. 电平转换方法

5种电平转换方法分别是，下午我们会从速率、驱动能力、漏电流、成本、通道数五个维度评价。：

1) 晶体管电平转换方法；

2) 专用电平转换芯片；

3) 限流电阻电平转换方法；

4) 电阻分压电平转换方法；

5) 二极管电平转换方法；

1. 使用晶体管转换电平

如下图1，使用2个NPN三极管，将输入信号电平VL和转换为输出电平VH，使用2个三极管的目的是将输入和输出信号同相，如果可以接受反相，使用一个三极管也可以。

图1；晶体管进行电平转换

优势：

1) 便宜：三极管容易常见并且容易采购，价格低廉（批量几分钱一个）。

2) 驱动能力强：驱动能力取决于三极管，可以做到数十mA；

3) 漏电流低：In 和OUT两者之间的漏电流较小（uA级别），几乎可以忽略不计。

劣势：

1) 速度：两级三极管属于电流驱动型，加上电路和寄生电容，转换后的波形不是十分理想。一般只能用于100K以内的信号转换。

2) 器件多：同相转换需要2个三极管以及配套的电阻，多路转换时占用空间较多。

2. 使用专用电平芯片转换电平

如下图2，使用专用的电平转换芯片，分别给输入和输出信号提供不同的电压，转换由芯片内部完成，例如MCP2551/3221等电平转换芯片。专用芯片是最可靠的电平转换方案，5个优点里面占据了4个，除了成本。

图2；专用电平转换芯片

优势：

1) 驱动能力强：专用芯片的输出一般都使用了CMOS工艺，输出驱动10mA不在话下。

2) 漏电流几乎为0：内部是一些列的放大、比较器，输入阻抗非常高，一般都达到数百K。漏电流基本都是nA级别的。

3) 路数较多：专用芯片针对不同的应用，从2路到数十路都有，十分适合对面积要求高的场合。

4) 速率高：专用芯片由于集成度较高，工艺较高，，速率从数百K到数百M的频率都可以做。

劣势：

1) 成本：专用芯片集众多优势于一身，就是成本是最大的劣势，一个普通的数百K速率的4通道电平转换芯片，价格至少要1元人民币医生，如果使用三极管做，成本2毛钱都不到。

3. 使用电阻分压转换电平

如下图3，R2和R3构成分压，下图中Vgprs=3.3*5.6K/（1K+5.6K）=2.8V。GPRS模块的的TX由于在发送端，2.8V在右边的接收范围内，所以不需要分压，只需要增加一个电阻限流。

图3；电阻分压法电平转换

优势：

1) 便宜：便宜是最大的优点，2个电阻一分钱不到；

2) 容易实现：电阻采购容易，占用面积小。

劣势：

1) 速度：分压法为了降低功耗，使用K级别以上的电阻，加上电路和器件的分布和寄生电容，速率很难上去，一般只能应用于100K以内的频率。

2) 驱动能力：由于使用了大阻值的电阻，驱动能力被严格控制，并不适合需要高驱动能力的场合，例如LED灯等

3) 漏电：漏电是该方案最大的缺点，由于通过电阻直连，左右两端的电压会流动，从而互相影响。例如，RS232接口采用该方案，上电瞬间外设就给主芯片提供2.8V的电平，轻则影响时序导致主芯片无法启动，重则导致主芯片闩锁效应，烧毁芯片。

4. 使用电阻限流转换电平

有一些技高人胆大的工程师，有时候还会使用一个电阻限流的办法，实现两个不同电平之间的转换。具体的现实原理就是利用芯片的输入电流不超过某个值，例如74HC系列的芯片的输入电流值不能超过20mA，即可认为是安全的，如果是5V转3.3V，只要电阻＞（5-3.3V）/20mA=85Ω，选择一个1K的电阻，则认为是安全的。因为芯片内部是可以等效一个负载电阻RL，与R1构成分压的关系。

图4；电阻限流法电平转换

优势：

1) 便宜：便宜是最大的优点，只需要一个电阻就解决。

2) 容易实现：电阻采购容易，占用面积小。

劣势：

1) 使用电阻限流法需要具备很高超的技术（作者自认为无法驾驭），不仅需要十分熟悉芯片内部的构成，而且还要考虑限流后的电压范围，最关键的是，出问题了以后还容易和芯片厂家扯皮，使用这类方案的工程师，胆是大了，技不一定高。

5. 使用二极管钳位转换电平

有一些工程师还经常使用二极管钳位的方法进行电平转换，如下图左是3.3V转5V，当3.3V电平为高时，5V输出电压=3.3V+Vd=3.3+0.7≈4V，到达5V的高电平阈值，当3.3V电平输出为低时，5V电平输出电压约=Vd≈0.7V，在低电平阈值范围内。

如下图右是5V转3.3V，输入是高电平时，3.3Vout=3.3V+Vd≈4V，当5V电平输入为低电平时，3.3Vout=0V。

图5：3.3V转5V（左），5V转3.3V（右）

优势：

1) 漏电流小：由于二极管的漏电流非常小（uA级），可以单向防止电源倒灌，防止3.3V倒灌到5V。

2) 容易实现：二极管、电阻采购容易，占用面积小。

劣势：

1) 电平误差大：主要是二极管的正向压降较大，容易超出芯片的工作电压范围。

2) 单向防倒灌：只能单向防止倒灌，不能双向防止倒灌。

3) 速度和驱动能力不理想：由于电阻限流，驱动速度和能力均不理想，只能应用在100K以内的频率。

4) 所需器件较多。

二. 使用DIALOG GREENPAK的芯片

DIALOG的GREENPAK芯片是一种可编程逻辑芯片，它功能强大，应用广泛，电平转换在GREENPAK中是非常简单的一种应用，任何双电压轨的GREENPAK芯片都可以非常简单的实现电平转化。例如SLG46826V （https://www.dialog-semiconductor.com/SLG46826-datasheet）

通常在系统级设计中，需要组合来自两个不同电平的信号，例如模拟电压轨工作在 5V，而数字电压轨工作在 3.3V。许多 GreenPAK 通过使用双电压轨来解决这个问题，来自不同电平的信号都可以输入到 GreenPAK，进行处理，然后从任意电压轨输出。当使用双电压轨的器件来开始进行一个设计的时候，需要下图所示的那样，分别输入 2 个电压轨的电压范围，两个电压轨的工作范围随不同器件而有所不同，但是 VDD 轨总是电压较高的轨。