电平转换电路讲解

一、单向电平转换电路

1、使用电阻分压转换电平

这种方案应该是最便宜的一种了，只使用了电阻这一种器件，如下图所示。我们分析一下这个电路，当3.3V电平模块向右侧发送数据的时候只通过限流电阻，到达右侧时的电平在客户端的接收范围内。当5V电平客户端向左侧发送数据时通过两个电阻分压，左侧接收端电压5V*2K/(1K+2K)≈3.3V。

这种方案的优点不言而喻就是成本极低，只需三个小电阻，同时方便布局，在PCB板上也不占用空间。当然缺点也是大大的，为了降低功耗那么分压部分的电阻值不能选择太小，这就导致了驱动能力不强同时速度上也不能太快，因为有寄生电容的影响。再一个就是完全没有隔离会有电流串扰，左右相互影响。

实际应用电路

充满电后IC2 6脚(DONE)输出5V通过R52、R24两个10K电阻分压成为CPU可识别的高电平2.5V

2、二极管构成的单向电平转换电路

工作原理：如图所示是使用二极管钳位的方法进行电平转换。

如图1为使用二极管钳位的方法进行电平转换。如图1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2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。

举例：

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。

(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。

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。

3、三极管构成的电平转换电路

工作原理：VDDA与VDDB分别为两个不同的电压。

图3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。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4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4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。

实际应用电路

二、双向电平转换电路

1、NMOS构成的电平转换电路

工作原理

从左往右 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;

从右往左

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)。

(4)MOS管的接入方法：MOS管的S极要接到较低电压那边，不能接反。

(5)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。

举例

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。

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。

2、电平转换芯片构成的双向电平转换电路

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。

审核编辑：汤梓红