六种电平转换的优缺点

电平转换作为电子设计的硬件工程师，是每个人都必须面对的话题，主芯片引脚1.2V、1.8V、3.3V等等，用于连接外部接口芯片的1.8V、3.3V、5V等等，由于电平不匹配，必须进行电平转换。每个工程师都有自己的工程师 今天，我们将总结5种电平转换方法，总结各种优缺点，避免设计过程中踩坑。

一、电平转换方法
五种电平转换方法是：

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；
   从速率、驱动能力、漏电流、成本、通道数五个维度进行评估。
   1.使用晶体管转换电平
   下图1，使用2个NPN三极管将输入信号电平VL并转换为输出电平VH，使用两个三极管的目的是将输入和输出信号相同，如果可以接受相反，也可以使用一个三极管。
   图1；晶体管电平转换
6. 便宜：三极管易见且易购买，价格低廉（一批几分钱）。
7. 驱动能力强:驱动能力取决于三极管，可以达到几十个mA；
8. 漏电流低：I、和OUT两者之间的漏电流较小（uA等级)，几乎可以忽略不计。
   劣势：
9. 速度：两级三极管属于电流驱动型，加上电路和寄生电容器，转换后的波形不太理想。一般只能用于100K内部信号转换。
10. 装置多：同相转换需要两个三极管和配套电阻，多路转换占用空间大。

2.使用专用电平芯片转换电平
如下图2所示，使用专用电平转换芯片，为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。除成本外，专用芯片是最可靠的电平转换方案。
图2；专用电平转换芯片；

优势：

1. 驱动能力强：一般采用专用芯片输出CMOS工艺，输出驱动10mA不在话下。
2. 泄漏电流几乎为0：内部有一些列放大，比较器，输入阻抗很高，一般达到数百K。漏电流基本都是nA级别的。
3. 路数较多专用芯片适用于不同的应用，从2路到数十路，非常适合面积要求高的场合。
4. 高速：由于集成度高，工艺高，专用芯片的速率从几百K到几百M不等。
   劣势：
5. 成本：专用芯片集成了许多优点，即成本是最大的缺点。一个普通的4通道电平转换芯片的价格至少超过1元。如果使用三极管，成本不到20美分。

3.用电阻分压转换电平
如下图3，R2和R构成分压，如下图所示Vgprs=3.3*5.6K/（1K 5.6K）=2.8V。GPRS模块的的TX因为在发送端，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:便宜是最大的优势，两个电阻不到一分钱；
2. 易于实现：电阻采购方便，占地面积小。
   劣势：
3. 速度：为了降低功耗，使用K级以上的电阻，加上电路和设备的分布和寄生电容，速率难以提高，一般只能用于100K内部频率。
4. 驱动能力：由于使用了大驱动能力受到严格控制，不适合需要高驱动能力的场合，如LED灯等
5. 泄漏：泄漏是该方案最大的缺点，由于电阻直接连接，左右两端的电压会相互流动。RS该方案采用232接口，上电瞬间外设为主芯片提供2.8V电平，轻则影响时间，导致主芯片无法启动，重则导致主芯片锁定效应，烧毁芯片。
   4.使用电阻限流转换电平
   一些技术高超的工程师有时会使用电阻限流来实现两个不同电平之间的转换。具体的现实原理是芯片的输入电流不超过一定值，如74HC该系列芯片的输入电流值不得超过20mA，可以认为是安全的，如果是5V转3.3V，只要电阻>(5-3.3V）/20mA=85Ω，选择一个1K电阻被认为是安全的。因为芯片内部可以等效负载电阻RL，与R构成分压关系。

图4：电阻限流法电平转换

优势：

1. 便宜:便宜是最大的优势，只需要一个电阻就可以解决。
2. 易于实现：电阻采购方便，占地面积小。
   劣势：
3. 使用电阻限流法需要高超的技术（作者认为无法控制），不仅需要非常熟悉芯片的内部组成，还需要考虑限流后的电压范围，最重要的是，问题很容易与芯片制造商争吵，使用工程师的方案，大胆，技能不一定高。
   5.用二极管钳位转换电平
   一些工程师经常使用二极管钳位进行电平转换，如下图左侧为3.3V转5V，当3.3V当电平高时，5V输出电压=3.3V Vd=3.3 0.7≈4V，到达5V当3.3V当电平输出较低时，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，高电平时输入3.3Vout=3.3V Vd≈4V，当5V当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：
4. 漏电流小：由于二极管漏电流很小（uA等级)，可单向防止电源倒灌，防止3.3V倒灌到5V。
5. 易于实现：二极管、电阻采购方便，占地面积小。
   劣势：
6. 电平误差大：主要是二极管正压降大，容易超过芯片的工作电压范围。
7. 单向防倒灌：只能单向防倒灌，不能双向防倒灌。
8. 速度和驱动能力不理想：由于电阻限流，驱动速度和能力不理想，只能应用于100K内部频率。
9. 需要更多的设备。

二、使用DIALOG GREENPAK的芯片
DIALOG的GREENPAK芯片是一种功能强大、应用广泛的可编程逻辑芯片GREENPAK它是一个非常简单的应用程序，任何双电压轨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，需要将两个不同电平的信号结合起来，例如模拟电压轨工作 5V，数字电压轨工作 3.3V。许多 GreenPAK 这个问题是通过使用双电压轨来解决的 可以输入不同电平的信号 GreenPAK，处理，然后 输出任何电压轨。当使用双电压轨设备开始设计时，需要 如下图所示，分别输入 2 个电压轨的电压范 围， 两个电压轨的工作范围因不同的设备而异，但 VDD 轨道总是电压较高的轨道。

三、总结
电平转换主要考虑以下维度：

1. 电平匹配：最重要的是，转换后的电平需要在对方的范围内。
2. 漏电流：两者之间不仅要匹配电平，而且漏电流也不能相互影响，这是最常见的错误。作者看到一些工程师使用二极管电平转换RS485输出，外部设备的电流影响设备启动，设备启动时输出一堆乱码，影响对方正常工作。
3. 驱动能力：电平转换后还应考虑驱动能力，如I2C电平转换后，挂载多个I2C设备需要考虑驱动能力。
4. 速度：理论上，所有电平转换都有速度牺牲。最佳速度方案是专用电平转换芯片，其次是三极管方案。最糟糕的是电阻分压方案/l>
5. 成本：成本这个因素交给产品经理考虑吧。
6. 路数：太复杂的转换方案不适合多路数的情况，会占据板卡太多的面积。例如4bit的SD卡信号1.8V转3.3V，就不适合使用三极管方案。
7. GREENPAK的可编程逻辑芯片是近年慢慢进入中国的半导体市场，在各种各样的应用场景均可以找到它的应用，它是基于芯片平台的功能应用开发。