电平转换解决方案

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。VCCA与VCCB电平不同， 为了使这些器件间能够互相通信，需要如图 1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。
图 2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。

双电源电平转换

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
它们还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。

SN74AVCB324245 是 32 位双电源电平转换器，分为四组，每组八位。 在图 3 中，SN74AVCB324245 的一组从
1.8V 转换为 3.3V，同时另一组从 3.3V 转换为 1.8V。

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

产品系列

表1汇总了 TI 的双电源器件产品。

双电源电平转换器命名规则
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。

漏极开路器

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。
这些器件可在图 5 所示的电平转换应用领域中使用。

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T1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（低电平电压向高电平电压转换 ）和下降转换(高电平电压向低电平电压转换)
· 可在有线 OR 接口中使用

应用实例

图6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。

图 7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。

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。 当CMOS 驱动器的输出为高电平时，会出现一种问题。 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。

FET 转换器

在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 转换器是其的理想选择。
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，如图 9所示

图 9 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

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。
图 10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

图11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。 也可以象转换钳位电压(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。

使用转换钳位电压 (TVC) 器

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，如图 12 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，如图 13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。

如图 13所示示例，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。

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，如图 15 所示。

识别具有可过压输入端的器件的方法有两种：
· 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 ( I I K I_{IK} 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。

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。
对于图 15 中的示例所示，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图 16 中所示那样变化。 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

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（参见图 2），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。
图 16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 FCT 器件系列可供选择

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
较短且功耗较低。 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。

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解决方案的情况下，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

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《TI 电平转换解决方案》