常见电平转换电路设计参考

一、概述

​在硬件设计中有时候经常会遇到，主芯片引脚使用的1.8V、3.3V、5V等，连接外部接口芯片使用的3.3V、5V等，由于电平不匹配就必须进行电平转换。两个设备如果供电电压不一样，比如一个是3.3V，另一个是5V，那么在电平不匹配的情况下工作，会造成信号传输出错；如果二者电压相差较大，严重的可能会损坏芯片。

二、设计

1、晶体管构成的电平转换方法

图1

工作原理：

图1左图实现原理：左侧IN为输入，右侧OUT为输出，VDDA与VDDB分别为相互转换的两个不同的电压域。当IN输入0V时，三极管Q1导通，OUT被拉低到接近0V 电平，实现低电平转换；当IN输入高电平VDDA时，三极管Q1截止，此时OUT被电阻R3上拉至VDDB，从而实现高电平转换。此电路属于单向转换电路，转换方向为IN输入，OUT输出。

图2右图实现原理： 当输入IN为低电平时，三极管Q2关断，三极管Q3导通，输出OUT被拉低，从而实现低电平转换；当输入IN为高电平VDDA时，三极管Q2导通，从而三极管Q3被拉低关断，从而输出OUT被电阻R6拉高到VDDB，从而实现高电平转换。此电路只能实现左侧IN输入，右侧OUT输出，不能反向转换。
注意事项：图2右图中使用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。

优点：（1）便宜：三极管常见并且容易采购，价格低廉。
​ （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。

缺点：（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。

应用：

图2

图2为单向串口电平转换电路。实现原理如下，单片机的RXD接口接收数据，终端设备TXD接口输出数据时，3.3V与5V分别为相互转换的两个不同的电压域。当终端设备TXD接口输出0V时，三极管Q1导通，单片机RXD接口被拉低到接近0V电平，实现低电平转换；当终端设备TXD接口输出高电平5V时，三极管Q1截止，此时单片机RXD接口被电阻R1上拉至3.3V，从而实现高电平转换。同理，单片机TXD接口输出数据，终端设备RXD接口接收数据，实现3.3V到5V的转换。

2、MOS管构成的双向电平转换方法

工作原理：

• 当IN端输出高电平时，MOS管Q1的Vgs=0，MOS管关闭，OUT端被电阻R3上拉到VDDB；

• 当IN端输出低电平时，MOS管Q1的Vgs=VDDA，大于导通电压阈值，MOS管导通，OUT端通过MOS管被拉低到低电平；

• 当IN端输出高阻状态时，MOS管截止，OUT端被电阻R3上拉到VDDB；

• 当OUT端输出高电平时，MOS管Q1的Vgs不变，MOS管维持关闭状态，IN端被电阻R1上拉到VDDA；

• 当OUT端输出低电平时，MOS管Q1不导通，MOS管先经过体二极管把IN拉低到低电平，此时Vgs≈VDDA，MOS管导通，进一步拉低IN端的电压；

• 当OUT端输出高阻状态时，MOS管Q1的Vgs不变，MOS管维持关闭状态，OUT端被电阻R3上拉到VDDB；

注意事项：

​ （1）在正常操作中，VDDB>=VDDA；

​ （2）Vgs<=VDDA；Vds<=VDDB；

​ （3）IN端的低电平门限大于0.7V左右(视NMOS内的二极管压降而定)。

优点：（1）适用于低频信号电平转换，价格低廉。

​ （2）导通后，压降比三极管小。

​ （3）正反向双向导通，相当于机械开关。

​ （4）电压型驱动，需要一定的驱动电流。

应用：

图3 ​

工作原理：

• 当总线上没有数据发送时：两边都没有主动去拉低总线，因此MOS管也不导通，都因为各自的上拉电阻存在，左边为高电平3.3V，右边为高电平5V。

• 当单片机需要发送数据1到终端设备时：即单片机TXD为高电平3.3V，MOS管Q2的Vgs=0，MOS管Q2关闭，右边因为上拉电阻的存在，终端设备RXD接口电平保持为5V。即可看作单片机正常将数据1发送到终端设备。

• 当单片机需要发送数据0到终端设备时：即单片机TXD为低电平0V，MOS管Q2的Vgs=3.3V，MOS管Q2导通，右边电平和左边电平一样，终端设备RXD接口为低电平0V。即可看作单片机正常将数据0发送到终端设备。

• 当终端设备需要发送数据1到单片机时：即终端设备TXD为高电平5V，单片机RXD因为没有主动拉低电平，所以MOS管Q1不导通，左边保持上拉电平3.3V。即可看作终端设备将数据1正常发送到单片机。

• 当终端设备需要发送数据0到单片机时：即终端设备TXD为低电平0V时，因为MOS管Q1中二极管的存在，管中二极管导通，MOS管Q1的S极被拉低，Vgs接近3.3V，MOS管Q1导通，使得左边和右边电平接近，为0V。即可看作终端设备正常将数据0发送到单片机。

注意事项：

（1）MOS管的接入方法：MOS管的S极要接到低电源那边，不能接反。

（2）MOS管的选型（MOS管的导通电压需要注意）： MOS管导通电压门限（Vth(GS)里面的最大值）需要小于低电源电压。

图4

​如图4是2N7002的NMOS管的部分参数表，1V

（3）低电平指等于或接近0V；高电平指等于或接近电源电压。所以3.3V电压域的器件，其高电平为等于或接近3.3V；5V电压域的器件，其高电平为等于或接近5V。具体要求看芯片的数据手册是怎么说明这个限定范围的，常见的比如说0.3倍的“芯片供电电压”以下为低电平，0.7倍的“芯片供电电压”以上为高电平。也就是说“芯片供电电压”为5V的时候，5 x 0.3 = 1.5V 以下为低电平，5 x 0.7 = 3.5V 以上为高电平。

3、二极管构成的单向电平转换电路

图5

工作原理：

如图5为使用二极管钳位的方法进行电平转换。如图5左图是3.3V转5V，当3V3_VIN电平为高时，5V_VOUT=3.3V+Vd(D2)=3.3+0.7≈4V，到达5V的高电平阈值，当3V3_VIN电平输出为低时，5V_VOUT输出电压约=Vd(D2)≈0.7V，在低电平阈值范围内。
如图5右图是5V转3.3V，当5V_VIN输入是高电平时，3V3_VOUT=3.3V+Vd(D3)≈4V，当5V_VIN输入为低电平时，3V3_VOUT=0V。

优点：

（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。

缺点：

（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。

应用：

图6

工作原理：

如图6中单片机的RXD为3.3V， 终端设备的TXD为5V。当终端设备输出为5V信号时，二极管D1不通，RXD通过上拉电阻R1被拉到单片机可接受的3.3V电平；当终端设备输出为低时，二极管D1导通，RXD通过二极管被拉至低电平，不过此时的低电平为二极管的正向导通压降，这个值一定要在单片机所能识别的低电平范围之内。

注意事项：（1）终端设备RXD和单片机TXD直接连接的，所以终端设备能识别的高电平的最小阈值应该小于等于3.3V。

​ （2）单片机所能识别的低电平最大阈值应该大于等于二极管的管压降。

​ （3）考虑通信速率与低电平电压幅值，二极管选用高速肖特基二极管，并且VF尽量小。

4、电平转换芯片构成的双向电平转换电路

图7

工作原理：

如图7使用专用的电平转换芯片进行电平转换，电平转换芯片为不同电压域之间的数据通讯及控制提供了方便。例如芯片TXB0102，作为一款双电源供电的双向电平转换芯片，通过检测外部端口的驱动电流来判别转换方向，因此不需要外部的方向控制管脚来选择控制器件转换的方向。因此在使用它时非常省事，软件上也无需考虑去更改它的转换方向。

优点：

（1) 驱动能力强：专用芯片的输出一般都使用了CMOS工艺，输出电流可以达到几十mA。

（2）漏电流几乎为0：内部是一些放大、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。

缺点：

​ 成本：专用芯片集众多优势于一身，但成本是最大的劣势，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。

5、电阻分压构成的电平转换电路

图8

工作原理：

如图8所示R2和R3构成分压，图中RXD端口电压=5V*2K/(1K+2K)$\approx$ 3.3V。单片机的的TXD直接和终端设备的RXD之间没有分压，只是加一个电阻限流。

注意事项： 终端设备的高电压最小阈值应该小于等于3.3V。

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。

缺点：

（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，从而相互影响。

6、 电阻限流构成的电平转换电路

图9

工作原理：

如图9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，例如使用的终端设备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，需要电阻R1＞(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。

优点：

（1）便宜：便宜是最大的优点，只需要一个电阻就可以解决。

（2）容易实现：电阻采购容易，占用面积小。

缺点：

​ 使用电阻限流法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；

三、总结

上述几种电平转换方法是比较常见的方法，电平转换主要考虑以下几个方面：

（1）电平匹配：这个是前提，转换后的电平需要在对方可承受的范围之内。

（2）漏电流：两者之间不但电平要匹配，漏电流还不能互相影响。使用二极管电平转换做RS485输出，可能会出现外部设备的漏电流过来影响内部设备的开机，而且内部的设备启动时输出一堆乱码，影响对方正常工作。

（3）驱动能力：电平转换以后还要考虑驱动能力，例如I2C电平转换后，挂载多个I2C设备就需要考虑驱动能力的问题。

（4）速度：理论上，所有的电平转换都是有速度牺牲的，速度最优的方案是专用电平转换芯片，其次是三极管方案，最差的就是电阻分压方案。

（5）成本：在电路设计中除了考虑功能的要求外，还要兼顾下成本。

（6）路数：太复杂的转换方案不适合多路数的情况，会占据太多的面积。