选择正确的电平转换解决方案

1. 简介

  在目前大多数电子系统中，对电压电平转换的需求非常普遍。 例如， ASIC可能在电源电压 VCCA 下工作，而
I/O器件可能在电源电压VCCB下工作。 为了使这些器件间能够互相通信，需要如下图所示的电平转换解决方案。

  电子器件的输入电压阈值和输出电压电平可能随着所使用的器件技术和电源电压的不同而有所不同。 下图显
示了不同电源电压和器件技术的阈值电平。为了成功连接两个器件，必须符合以下要求：
  1. 驱动器的VOH必须高于接收器的VIH。
  2. 驱动器的VOL必须低于接收器的VIL。
  3. 驱动器的输出电压不得超过接收器的I /O电压容差。
  各类数字电平输入和输出阈值如下图所示：

2. 双电源电平转换器

2.1 特性

  双电源器件是为在不同电源电压下工作的两种总线或器件之间的异步通信设计的。这些器件使用两个电源电压：VCCA与A端连接，VCCB与B端连接。对于双向电平转换器，数据是从A发送到B还是从B发送到A，取决于DIR输入端的逻辑电平。在具有输出使能(OE)控制输入端的器件上，当OE无效时，A总线和B总线被有效隔离。
  TI公司提供具有各种位宽的双电源器件，覆盖了目前使用的几乎所有电源电压节点。这些器件非常灵活、简便易用且可双向转换（上升转换和下降转换），是大多数电平转换应用的理想选择。它们具有工作电流驱动能力，非常适用于较长线路长度和高输出负载的应用领域。
  双电源器件的优点：
  • 非常灵活，可以与各种电压节点互相转换
  • 工作电流驱动能力
  • 具有各种位宽

2.2 产品系列

  TI的双电源器件产品列表如下图所示：


  上表中（1）表示提供总线保持选项；（2）表示开发时，请访问http://www.ti.com/trans了解可用性。
  TI双电源电平转换器件命名规则如下图所示，除非在数据表中另行声明，否则使用此命名惯例的转换器的控制电路均由VCCA 供电。

3. 漏极开路器件

  具有漏极开路输出的器件在输出与GND之间有一个N沟道晶体管。这些器件可在如下图所示的电平转换应用领域中使用。输出电压由VCCB确定。VCCB可以高于输入高电平电压（上升转换）或低于输入高电平电压（下降转换）。

  在与各种电源电压节点互相转换时，漏极开路器件非常有用。但是，这种电平转换方法也存在一些缺点。例如，当驱动器的输出为低且输出N沟道晶体管导通时，会有一个恒定的电流经过电阻Rpullup和晶体管T1从VCCB流向GND。这会导致较高的系统功耗。
  使用较大值的上拉电阻可以使此电流降至最小。但是，较大的电阻也会使输出信号的上升速度变慢，因为电阻Rpullup和输出负载的RC时间常数较大。
  漏极开路器件的优点：
  • 可与各种电压节点互相进行上升转换和下降转换
  • 可在有线OR接口中使用

3.1 应用示例

  下图显示了SN74LVC2G07的一个缓冲器从1.8V向上转换为5V，同时另一个缓冲器从3.3V向下转换为1.8V。

  使用了1.8V的电源电压，这使得器件可以将其输入端可能出现的最低VIH识别为有效高电平信号。输出上拉电阻的最小值受漏极开路器件的最大电流吸入能力（IOL的最大值）限制，其最大值则受输出信号的最大允许上升时间限制。
  上拉电阻的最小值由下列计算公式所示：

  对于上图SN74LVC2G07情况，假定VPU1 = 5V±0.5V、VPU2 = 1.8V±0.15V， 且使用容差为5%的电阻，则上拉电阻最小值计算如下：

  容差为5%的标准电阻的最接近（次高）值为1.5kΩ。

  容差为5%的标准电阻的最接近（次高）值为430Ω。
  下图显示了具有10pF电容负载和不同上拉电阻值的输出波形。随着上拉电阻值的增加，输出信号的上升时间也会增加。

3.2 不要在CMOS驱动器的输出端使用上拉电阻

  要实现电平转换，系统设计人员不应在具有CMOS（推挽式）输出的器件的输出端使用上拉电阻。此种技术具有几个应避免的缺点。一个是如第3节开始处所讨论的每当输出切换到低电平时，功耗就会增加。当CMOS驱动器的输出为高电平时，会出现另一种问题。在这种状态下，下面的N沟道晶体管截止，上面的P沟道晶体管导通。会有一个回流电流从高电源经过电阻R和较高的P沟道晶体管流向低电源。该电流流入低电源会产生不好的影响。如下图所示：

4. FET 转换器

  电平转换应用领域可以使用TI的CB3T、CBT、CBTD和TVC系列总线转换器。对于不需要工作电流驱动或需要非常短的传播延迟的转换应用领域，FET转换器是其理想选择。
  FET转换器的优点：
  • 传播延迟短
  • TVC器件（或配置为TVC的CBT）可用于没有方向控制的双向电平转换。
  TI的CB3T系列器件在VCC = 3. 3V下工作时可用于从5V到3.3V的下降转换，在VCC = 2.5V下工作时可用于从5V或3.3V到2.5V的下降转换。CB3T器件在某些应用领域可用于双向转换，如下图所示。

  在上图中，SN74CB3T3306用于连接3V总线与5V(TTL)总线。CB3T器件的工作电压为3V。当将信号从5V总线传输到3V总线时，CB3T器件将输出电压钳位到VCC(3V)。当将信号从3V总线传输到5V总线时，5V端的输出信号被钳位到大约2.8V，其对5V TTL器件是有效的VIH电平。此种方法存在以下两个缺点：
  1. CB3T3306的2.8V VOH电平会使5V端的高电压噪声裕度降低。在这种情况下，噪声裕度将为2.8V-2. 0V = 800mV。
  2. 因为CB3T器件的高电平输出并不是始终驱动到VCC轨，所以5V接收器会产生称作∆ICC电流的过多功耗（后续对∆ICC进行详细论述）。
  3. 2.8V VOH电平的VCC = 3V、TA = 25°C、IO = 1µA。对于5V CMOS接收器来说，此2.8V将不是有效的VIH电平；因此当连接3V总线与5V CMOS总线（未使用上拉电阻）时，CB3T器件无法用于上升转换。

4.1 CBT和CBTD器件

  CBT和CBTD系列器件可用于连接5V系统与3.3V系统。在连接5V CMOS系统与3.3V系统时，这些器件只可用于下降转换。 在连接5V TTL系统与3.3V系统时，它们可用于双向转换。
  下图显示了用于5V至3.3V转换的SN74CBT1G384。必须在5V电源和器件的VCC引脚之间连接一个外部二极管。外部二极管将导通晶体管的栅极电压降至4.3V。再加上1V的VGS压降，引脚2上的电压将为3.3V。可使用更多的二极管将输出限制为更低的电压。在某些情况下，经过二极管的静态电流(ICC)可能不足以打开二极管，这时会添加一个接地电阻R以确保足够的偏置电流经过二级管。

  下图显示了这种5V至3.3V下降转换的波形；输入到输出的传播延迟非常小。也可以像转换钳位电压(TVC)器件那样配置CBT器件，以便在没有方向控制的情况下灵活实现双向转换。

4.2 使用转换钳位电压(TVC)器件

  TVC器件可用于双向电平转换。这些器件不需要方向控制信号。每个TVC器件包含一个N沟道导通晶体管阵列，它们的门在内部连接在一起，如下图所示。

  在转换应用中，将连接其中一个FET作为参考晶体管，其它晶体管用作导通晶体管。每个导通晶体管的低压端上的最大正电压限制为由参考晶体管设置的电压。阵列中的所有晶体管具有相同的电气特性；因此它们中的任何一个都可用作参考晶体管。由于晶体管是对称制造的，且I/O信号是双向经过每个FET，所以每位的任一端口连线可用作低压端。
  参考晶体管的漏极必须经过一个电阻后再连接到VDDREF，如下图所示，VREF必须低于或等于(VBIAS - 1)以便将参考晶体管偏置到导通状态。参考晶体管的栅极连接到它的漏极以便使晶体管处于饱和状态。

  上图中VREF设置为等于CPU的I/O电压电平，而VDPU设置为B端上所需的电压电平。当从B端下降转换到A端时，A 端上的电压被钳位在VREF。当从A2(A3)上升转换至B2(B3)时，在A端上的电压达到VREF时，A2(A3)与B2(B3)之间的导通晶体管关闭，且B2(B3)上的电压通过150Ω上拉电阻上拉至VDPU。
  使用TVC器件的双向转换的波形如下图所示：

  使用FET开关的可能电压转换组合如下图所示：


  使用 TVC 器件的可能电压转换组合如下图所示：

5. 可过压的器件

  具有可过压输入端的器件允许输入电压高于器件的电源电压。通过移除连接至VCC的输入钳位二极管并使用允许电压电平高于VCC的较厚的栅极氧化层即可实现此目的。这些器件可以用于执行下降转换，如下图所示。

  识别具有可过压输入端的器件的方法有以下两种：
  •查看数据表中建议的操作条件下的输入电压(VI)参数。具有可过压输入端的器件具有独立于VCC的最大VI值。 一般它具有明确的数字，例如5.5V。
  •查看绝对最大额定值下的输入二极管电流(IIK)。具有可过压输入端的器件在该数字之前只有一个负号，例如 - 20mA，而不是± 20mA。这表示输入端只有一个GND钳位二极管，而没有连接至VCC的输入钳位二极管。
  AUC、LVC、LV-A和AHC系列器件具有可过压输入端。对于在这些产品系列内工作的收发器，仅当器件具有IOFF功能时，I/O才具有可过压特性。如：AHC系列器件不具有IOFF特性，因此在该产品系列内工作的收发器不具有可过压I /O。
  当将可过压器件用于电平转换时，如果输入信号具有缓慢的边沿变化，则可能影响输出信号的占空比。如上图所示，输入信号的摆幅为0V至5V和5V至0V，但是因为器件在VCC=3.3V下工作，所以它在3.3V阈值电平处切换。如果输入信号的上升和下降速度较慢，将导致输出占空比如下图所示那样变化。因此，在输出占空比非常关键的应用领域（例如，某些时钟应用领域），可过压器件就可能不是非常理想的转换解决方案。

  可过压器件的优点：
  •只需要一个电源电压
  •广泛的AHC、AUC、AVC、LV-A和LVC器件系列
  使用可过压器件的可能电压转换组合如下表所示：

6. 具有TTL兼容输入端的器件

  HCT、AHCT、ACT、ABT和FCT系列器件可以接受TTL电平的输入信号和5V CMOS输出信号。因为5V TTL和3V LVTTL/LVCMOS开关阈值相等（参见第1节），所以这些器件可以用于从3.3V转换至5V。但是，因为输入高电平信号并不是始终驱动到5V轨，所以接收器器件的输入级会抽取额外的静态电流，称作∆ICC电流。下图显示了SN74HCT541的ICC vs VIN特性图。对于静态3.3V输入信号，器件将从每个输入端连续抽取大约290µA的额外电流。

  具有TTL兼容输入端的器件的优点：
  •只需要一个电源电压
  •具有广泛的HCT、AHCT、ACT、ABT和FC 器件系列可供选择

7. 转换解决方案总结

  双电源器件：对于大多数电压电平转换应用领域，这是最佳选择。这些器件可在各种电压节点之间执行双向电平转换。它们功耗低、传播延迟短且具有工作电流驱动能力。
  漏极开路器件：通过在输出端使用外部上拉电阻，漏极开路器件可用于上升转换或下降转换。这种解决方案非常灵活，但功耗较高。
  具有可过压输入端的器件：使用这些器件可以方便地对信号实现下降转换。 如果输入信号有较慢的上升沿和下降沿，则可能影响输出信号的占空比。
  CB3T器件：这些FET转换器是5V至2.5V、5V至3.3V和3.3V至2.5V下降转换应用领域的理想选择。CB3T器件的传播延迟低于1ns且功耗非常低。这些器件不提供驱动电流，如果需要缓冲，应使用双电源转换器。
  CBT/CBTD器件：CBT（使用外部二极管）或CBTD器件可用于执行5V至3.3V下降转换。 这些器件传播延迟短且功耗较低。 这些器件不提供电流驱动，如果需要缓冲，应使用替代解决方案。
  TVC器件：TVC 器件能够进行双向电平转换，无需方向控制信号。该解决方案需要使用外部上拉电阻。功耗取决于外部上拉电阻的值。也可以将CBT器件配置为象TVC器件那样工作。
  具有TTL兼容输入端的器件：HCT、AHCT、ACT、ABT和FCT系列器件可用于3.3V 至 5V 上升转换。该解决方案会消耗过多的系统功耗，在功耗是重点考虑事项的应用领域中，应避免使用此种方案。

8. 结论

  实现逻辑电平转换的方法有很多种，每种都具有其自身的优缺点。对于大多数电平转换应用领域，使用双电源电平转换器通常是最佳选择。TI提供广泛的双电源电平转换器产品系列，来满足所有混合电压连接需要。在这些器件不是最佳决方案的情况下，应考虑其它解决方案。 在功耗不是重要考虑因素的应用领域中，可将漏极开路器件用于上升和下降转换。 对于下降转换应用领域，应考虑使用总线开关和可过压器件；如果可以接受较高的系统功耗，可将具有TTL兼容输入端的器件用于3.3V至5V上升转换。