单片机5V转3.3V电平的19种方法技巧 工程师必看

方法一：使用LDO稳压器，从5V电源向3.3V系统供电

标准(zhun)三(san)端(duan)线性稳压器的(de)(de)压差(cha)通(tong)常是 2.0-3.0V 。要(yao)把 5V 可靠地(di)转(zhuan)换为3.3V，就不(bu)能使(shi)用它(ta)们。压差(cha)为几(ji)百个(ge)毫(hao)伏的(de)(de)低(di)压降 （Low Dropout， LDO）稳压器，是此类应(ying)用的(de)(de)理想选择。图 1-1 是基(ji)本LDO  系(xi)统的(de)(de)框图，标注了相(xiang)应(ying)的(de)(de)电流。从图中可以(yi)看出， LDO 由四个(ge)主要(yao)部分(fen)组成(cheng)：

1. 导通晶体管

2. 带隙参考(kao)源

3. 运算放(fang)大(da)器(qi)

4. 反馈电阻分(fen)压器

在选择 LDO 时，重(zhong)要的(de)是(shi)要知道如(ru)何区分各种 LDO 。器件的(de)静态电流、封(feng)装大小(xiao)和型(xing)号是(shi)重(zhong)要的(de)器件参数。根据具体应(ying)用(yong)来确定各种参数，将(jiang)会得(de)到最(zui)优的(de)设(she)计。

LDO 的(de)(de)(de)(de)静态(tai)电流(liu)(liu)IQ是器件空载(zai)工(gong)作时(shi)器件的(de)(de)(de)(de)接地电流(liu)(liu) IGND。IGND是 LDO 用来进(jin)行稳压的(de)(de)(de)(de)电流(liu)(liu)。当 IOUT>>IQ 时(shi)，LDO的(de)(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)可用输出电压除以输入电压来近似地得到(dao)。然(ran)而，轻(qing)(qing)载(zai)时(shi)，必(bi)须(xu)将 IQ 计(ji)入效(xiao)率(lv)计(ji)算(suan)中。具(ju)有(you)(you)较(jiao)低 IQ 的(de)(de)(de)(de) LDO 其(qi)轻(qing)(qing)载(zai)效(xiao)率(lv)较(jiao)高(gao)。轻(qing)(qing)载(zai)效(xiao)率(lv)的(de)(de)(de)(de)提高(gao)对于 LDO 性能有(you)(you)负面影响。静态(tai)电流(liu)(liu)较(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)(de) LDO 对于线路和负载(zai)的(de)(de)(de)(de)突然(ran)变化有(you)(you)更(geng)快的(de)(de)(de)(de)响应。

方法二：采用齐纳二极管的低成本供电系统

这里(li)详细(xi)说(shuo)明了一个(ge)采用齐(qi)纳二(er)极管的低成本稳压(ya)器方案。

可以(yi)用齐纳二极管和(he)(he)电阻(zu)做成简(jian)单的(de)(de)(de)(de)低(di)成本 3.3V稳压(ya)(ya)(ya)器(qi)，如图(tu)2-1所(suo)(suo)示。在很多(duo)应(ying)用中，该电路(lu)可以(yi)替代LDO稳压(ya)(ya)(ya)器(qi)并具成本效益(yi)。但是(shi)，这种稳压(ya)(ya)(ya)器(qi)对负(fu)载敏(min)感的(de)(de)(de)(de)程(cheng)度要高(gao)于(yu) LDO 稳压(ya)(ya)(ya)器(qi)。另外(wai)，它的(de)(de)(de)(de)能效较低(di)，因为 R1 和(he)(he) D1 始终(zhong)有(you)功耗(hao)。R1限制流入D1 和(he)(he) PICmicro? MCU的(de)(de)(de)(de)电流，从而使VDD  保(bao)持在允许范围内。由于(yu)流经齐纳二极管的(de)(de)(de)(de)电流变化时，二极管的(de)(de)(de)(de)反向电压(ya)(ya)(ya)也将(jiang)发(fa)生改变，所(suo)(suo)以(yi)需要仔细考虑 R1 的(de)(de)(de)(de)值。

R1 的(de)选择依据(ju)是：在最(zui)(zui)(zui)大(da)(da)负载时(shi)——通(tong)常是在PICmicro MCU  运行且(qie)驱动其输出(chu)为高(gao)电(dian)平时(shi)——R1上的(de)电(dian)压(ya)降要足(zu)够低从而使PICmicro MCU有(you)足(zu)以(yi)维持(chi)工作所需的(de)电(dian)压(ya)。同时(shi)，在最(zui)(zui)(zui)小负载时(shi)——通(tong)常是PICmicro MCU 复位(wei)时(shi)——VDD 不(bu)超(chao)过齐纳二极管的(de)额定功(gong)率(lv)，也不(bu)超(chao)过 PICmicro MCU的(de)最(zui)(zui)(zui)大(da)(da) VDD。

方法三：采用3个整流二极管的更低成本供电系统

图 3-1 详(xiang)细说明了(le)一个采用 3 个整流二极管的更低(di)成本稳压器方案。

我们也(ye)可以把几个常规开关(guan)二(er)(er)极(ji)管(guan)(guan)串联起(qi)来，用其正向压(ya)降来降低(di)进入的(de)(de) PICmicro MCU 的(de)(de)电(dian)压(ya)。这(zhei)甚(shen)至(zhi)比齐(qi)纳二(er)(er)极(ji)管(guan)(guan)稳压(ya)器(qi)的(de)(de)成本(ben)还要低(di)。这(zhei)种设计的(de)(de)电(dian)流消耗通常要比使(shi)用齐(qi)纳二(er)(er)极(ji)管(guan)(guan)的(de)(de)电(dian)路(lu)低(di)。

所(suo)需(xu)(xu)二(er)极(ji)管的(de)数量根据(ju)所(suo)选(xuan)用二(er)极(ji)管的(de)正向电(dian)(dian)压而(er)变(bian)化。二(er)极(ji)管 D1-D3  的(de)电(dian)(dian)压降是流经这(zhei)些二(er)极(ji)管的(de)电(dian)(dian)流的(de)函数。连接 R1 是为(wei)了避(bi)免(mian)在负(fu)载最(zui)小(xiao)时——通常(chang)是 PICmicro MCU  处于复(fu)位或(huo)休眠(mian)状态时——PICmicro MCU VDD 引脚上的(de)电(dian)(dian)压超过PICmicro MCU 的(de)最(zui)大 VDD 值。根据(ju)其(qi)他连接至VDD  的(de)电(dian)(dian)路(lu)，可(ke)以提高R1 的(de)阻值，甚至也可(ke)能完(wan)全(quan)不需(xu)(xu)要(yao) R1。二(er)极(ji)管 D1-D3 的(de)选(xuan)择(ze)依据(ju)是：在最(zui)大负(fu)载时——通常(chang)是 PICmicro MCU  运(yun)行且驱动其(qi)输出为(wei)高电(dian)(dian)平时——D1-D3 上的(de)电(dian)(dian)压降要(yao)足够低从(cong)而(er)能够满足 PICmicro MCU 的(de)最(zui)低 VDD 要(yao)求。

方法四：使用开关稳压器，从5V电源向3.3V系统供电

如图 4-1  所示，降压开关稳压器(qi)是一种基于电(dian)感的转换器(qi)，用(yong)来(lai)(lai)把输(shu)(shu)入(ru)电(dian)压源降低(di)至(zhi)幅值(zhi)较(jiao)低(di)的输(shu)(shu)出(chu)(chu)电(dian)压。输(shu)(shu)出(chu)(chu)稳压是通过控制 MOSFET Q1  的导(dao)通（ON）时间来(lai)(lai)实现的。由于 MOSFET 要(yao)么(me)处(chu)(chu)于低(di)阻状态，要(yao)么(me)处(chu)(chu)于高阻状态（分(fen)别为 ON  和OFF），因此高输(shu)(shu)入(ru)源电(dian)压能够(gou)高效率地(di)转换成较(jiao)低(di)的输(shu)(shu)出(chu)(chu)电(dian)压。

当 Q1 在这两(liang)种状态期间时，通过平衡电感的(de)(de)电压(ya)- 时间，可以建(jian)立输入和输出电压(ya)之间的(de)(de)关(guan)系。

对于 MOSFET Q1，有下式：

在选择(ze)电感的值时，使电感的最(zui)大峰 - 峰纹(wen)波电流等于最(zui)大负载电流的百分之十(shi)的电感值，是个很好的初始选择(ze)。

在选择(ze)输出电容(rong)值(zhi)时，好的(de)初值(zhi)是：使(shi) LC 滤波器特性阻(zu)抗(kang)等于负载电阻(zu)。这样(yang)在满载工作期(qi)间如果突然卸掉负载，电压过冲能处(chu)于可接受范围(wei)之内(nei)。

在选择(ze)二极管 D1 时，应(ying)选择(ze)额定电流(liu)足(zu)够大的元件，使之能够承受脉冲周期 （IL）放电期间(jian)的电感电流(liu)。

数字连接

在连(lian)接(jie)两个工作电(dian)压不同的(de)(de)器件时(shi)，必须要知道(dao)其(qi)各自的(de)(de)输(shu)(shu)出、输(shu)(shu)入(ru)阈(yu)值(zhi)。知道(dao)阈(yu)值(zhi)之后，可(ke)根据应用的(de)(de)其(qi)他需求选择器件的(de)(de)连(lian)接(jie)方法(fa)。表 4-1 是本(ben)文档所使用的(de)(de)输(shu)(shu)出、输(shu)(shu)入(ru)阈(yu)值(zhi)。在设计(ji)连(lian)接(jie)时(shi)，请务必参考制造商的(de)(de)数据手册以获得实际(ji)的(de)(de)阈(yu)值(zhi)电(dian)平。

方法五：3.3V →5V直接连接

将 3.3V 输出(chu)连接(jie)到 5V 输入最简单、最理想的方法是(shi)直接(jie)连接(jie)。直接(jie)连接(jie)需要满足以下 2 点要求：

3.3V输出的 VOH 大于 5V 输入(ru)的 VIH? 3.3V输出的 VOL 小于 5V 输入(ru)的 VIL能够使用这种(zhong)方法的例子之一是(shi)将 3.3V LVCMOS输出连接(jie)到 5V TTL 输入(ru)。从表4-1中所给(ji)出的值可以清楚地(di)看(kan)到上述要求均满足。

3.3V LVCMOS 的 VOH （3.0V）大于5V TTL 的VIH （2.0V）且3.3V LVCMOS 的 VOL （0.5V）小于 5V TTL 的VIL （0.8V）。

如(ru)果这两(liang)(liang)个要(yao)求得(de)不到(dao)满足，连接两(liang)(liang)个部分时就需要(yao)额外的(de)电路。可(ke)能的(de)解决方案请参阅技巧 6、7、 8 和 13。

方法六：3.3V→5V使用MOSFET转换器

如果 5V 输入(ru)的(de) VIH 比 3.3V CMOS 器件的(de) VOH 要(yao)高，则(ze)驱动任(ren)何这样的(de) 5V 输入(ru)就需要(yao)额外的(de)电路。图 6-1 所示为低成本的(de)双元(yuan)件解决方案。

在选(xuan)择 R1 的阻值时，需要考虑两个参数，即：输(shu)入(ru)的开(kai)(kai)关速度(du)和 R1 上的电(dian)(dian)流(liu)消耗(hao)。当把(ba)输(shu)入(ru)从 0切换到(dao) 1 时，需要计(ji)入(ru)因 R1 形成的 RC 时间(jian)常数而导致的输(shu)入(ru)上升时间(jian)、 5V 输(shu)入(ru)的输(shu)入(ru)容(rong)抗以(yi)及电(dian)(dian)路板上任何的杂(za)散(san)电(dian)(dian)容(rong)。输(shu)入(ru)开(kai)(kai)关速度(du)可通过下式计(ji)算：

由于(yu)输(shu)入容(rong)抗和电(dian)路板上的(de)(de)(de)杂散电(dian)容(rong)是固定(ding)的(de)(de)(de)，提(ti)高输(shu)入开关(guan)速(su)度(du)的(de)(de)(de)惟一途径是降低  R1 的(de)(de)(de)阻(zu)值。而(er)降低 R1 阻(zu)值以获取更短的(de)(de)(de)开关(guan)时间，却是以增(zeng)大5V 输(shu)入为(wei)低电(dian)平时的(de)(de)(de)电(dian)流(liu)消耗为(wei)代(dai)价的(de)(de)(de)。通常，切(qie)换(huan)到 0 要比切(qie)换(huan)到 1  的(de)(de)(de)速(su)度(du)快得(de)多，因为(wei) N 沟(gou)道(dao) MOSFET 的(de)(de)(de)导(dao)通电(dian)阻(zu)要远小于(yu) R1。另外，在选(xuan)择 N 沟(gou)道(dao) FET 时，所选(xuan) FET 的(de)(de)(de)VGS 应低于(yu)3.3V 输(shu)出的(de)(de)(de) VOH。

方法七：3.3V→5V使用二极管补偿

表7-1 列出(chu)了 5V CMOS 的输入电压阈值、 3.3VLVTTL 和 LVCMOS 的输出(chu)驱动电压。

从上表看出(chu)， 5V CMOS 输(shu)入的(de)高(gao)、低输(shu)入电(dian)压(ya)阈值均比 3.3V 输(shu)出(chu)的(de)阈值高(gao)约一伏。因(yin)此，即使来自 3.3V 系(xi)统的(de)输(shu)出(chu)能(neng)够(gou)被(bei)补(bu)偿，留给噪声或元件容差的(de)余地也很(hen)小或者没有。我们需要的(de)是能(neng)够(gou)补(bu)偿输(shu)出(chu)并加(jia)大(da)高(gao)低输(shu)出(chu)电(dian)压(ya)差的(de)电(dian)路。

输(shu)(shu)出(chu)电(dian)(dian)(dian)压规范确(que)定后(hou)，就已经假定：高(gao)输(shu)(shu)出(chu)驱(qu)动的(de)是(shi)(shi)输(shu)(shu)出(chu)和地(di)之(zhi)(zhi)间的(de)负(fu)(fu)载(zai)，而低输(shu)(shu)出(chu)驱(qu)动的(de)是(shi)(shi) 3.3V和输(shu)(shu)出(chu)之(zhi)(zhi)间的(de)负(fu)(fu)载(zai)。如果高(gao)电(dian)(dian)(dian)压阈值的(de)负(fu)(fu)载(zai)实际上是(shi)(shi)在(zai)输(shu)(shu)出(chu)和 3.3V 之(zhi)(zhi)间的(de)话，那么输(shu)(shu)出(chu)电(dian)(dian)(dian)压实际上要高(gao)得多，因为拉高(gao)输(shu)(shu)出(chu)的(de)机制是(shi)(shi)负(fu)(fu)载(zai)电(dian)(dian)(dian)阻，而不是(shi)(shi)输(shu)(shu)出(chu)三极管(guan)。

如果我们(men)设计一个二极管补偿电(dian)(dian)路 （见图 7-1），二极管 D1 的(de)(de)正(zheng)向电(dian)(dian)压  （典型值 0.7V）将(jiang)会使输(shu)(shu)出(chu)低电(dian)(dian)压上(shang)升，在(zai) 5V CMOS 输(shu)(shu)入(ru)得到 1.1V 至1.2V 的(de)(de)低电(dian)(dian)压。它安(an)全地处于 5V CMOS  输(shu)(shu)入(ru)的(de)(de)低输(shu)(shu)入(ru)电(dian)(dian)压阈值之下(xia)。输(shu)(shu)出(chu)高(gao)电(dian)(dian)压由上(shang)拉电(dian)(dian)阻和连至3.3V 电(dian)(dian)源的(de)(de)二极管 D2 确定。这(zhei)使得输(shu)(shu)出(chu)高(gao)电(dian)(dian)压大约比 3.3V 电(dian)(dian)源高(gao)  0.7V，也就是 4.0 到 4.1V，很安(an)全地在(zai) 5V CMOS 输(shu)(shu)入(ru)阈值 （3.5V）之上(shang)。

方法八：3.3V→5V使用电压比较器

比较器(qi)的基本工作如下：

反相 （-）输(shu)入电(dian)(dian)压(ya)大于同(tong)相 （+）输(shu)入电(dian)(dian)压(ya)时，比较器(qi)输(shu)出切(qie)换到 Vss。

同相 （+）输入(ru)端(duan)电压(ya)大(da)于反(fan)相 （-）输入(ru)电压(ya)时(shi)，比较器输出为高电平(ping)。

为了保持 3.3V 输出的(de)极性， 3.3V 输出必(bi)须(xu)连接到比较(jiao)器的(de)同相(xiang)(xiang)输入端。比较(jiao)器的(de)反相(xiang)(xiang)输入连接到由 R1 和 R2 确定的(de)参考电压处，如(ru)图 8-1 所示。

计算 R1 和 R2

R1 和(he) R2 之(zhi)比取决(jue)于(yu)输(shu)入(ru)信(xin)号(hao)的逻辑电(dian)(dian)平(ping)。对(dui)于(yu)3.3V 输(shu)出，反相(xiang)电(dian)(dian)压(ya)应(ying)该置于(yu)VOL 与VOH之(zhi)间的中点电(dian)(dian)压(ya)。对(dui)于(yu) LVCMOS 输(shu)出，中点电(dian)(dian)压(ya)为：

如(ru)果 R1 和 R2 的逻(luo)辑电(dian)平关系如(ru)下，

若 R2 取值为 1K，则(ze) R1 为 1.8K。

经过适当连(lian)接后(hou)的(de)运(yun)算放大(da)器(qi)可以(yi)用作比(bi)(bi)较(jiao)器(qi)，以(yi)将 3.3V 输(shu)(shu)入(ru)信(xin)(xin)号转换(huan)为 5V 输(shu)(shu)出(chu)信(xin)(xin)号。这是(shi)利用了(le)比(bi)(bi)较(jiao)器(qi)的(de)特性(xing)，即：根(gen)据 “反相(xiang)”输(shu)(shu)入(ru)与 “同相(xiang)”输(shu)(shu)入(ru)之间的(de)压差幅值，比(bi)(bi)较(jiao)器(qi)迫(po)使输(shu)(shu)出(chu)为高（VDD）或低 （Vss）电平。

方法九：5V→3.3V直接连接

通常(chang) 5V 输出的(de)(de) VOH 为(wei)(wei) 4.7 伏(fu)， VOL 为(wei)(wei) 0.4 伏(fu)；而通常(chang) 3.3V LVCMOS 输入(ru)的(de)(de) VIH 为(wei)(wei) 0.7 x VDD， VIL为(wei)(wei) 0.2 x VDD。

当 5V 输(shu)(shu)(shu)(shu)出(chu)驱动(dong)为低时(shi)，不(bu)会有问题，因为 0.4 伏(fu)的输(shu)(shu)(shu)(shu)出(chu)小于 0.8  伏(fu)的输(shu)(shu)(shu)(shu)入(ru)阈(yu)值。当 5V 输(shu)(shu)(shu)(shu)出(chu)为高时(shi)， 4.7 伏(fu)的 VOH 大于 2.1 伏(fu)  VIH，所以，我们(men)可以直接把(ba)两(liang)个(ge)引脚相(xiang)连，不(bu)会有冲突，前提是3.3V CMOS 输(shu)(shu)(shu)(shu)出(chu)能(neng)够耐受 5 伏(fu)电压(ya)。

如果 3.3V CMOS 输(shu)(shu)入(ru)不能耐受 5 伏电(dian)压(ya)，则将出现问题(ti)，因为超(chao)出了输(shu)(shu)入(ru)的(de)最(zui)大电(dian)压(ya)规范(fan)。可能的(de)解决方(fang)案请参见技(ji)巧 10-13。

方法十：5V→3.3V使用二极管钳位

很多厂(chang)商都(dou)使(shi)(shi)用(yong)钳(qian)位(wei)(wei)二(er)极管(guan)来(lai)(lai)保护器件的 I/O  引脚(jiao)，防止引脚(jiao)上的电压超过最大(da)允许电压规范。钳(qian)位(wei)(wei)二(er)极管(guan)使(shi)(shi)引脚(jiao)上的电压不会低于 Vss 超过一个(ge)二(er)极管(guan)压降，也不会高于 VDD  超过一个(ge)二(er)极管(guan)压降。要使(shi)(shi)用(yong)钳(qian)位(wei)(wei)二(er)极管(guan)来(lai)(lai)保护输入，仍然要关注流经(jing)钳(qian)位(wei)(wei)二(er)极管(guan)的电流。流经(jing)钳(qian)位(wei)(wei)二(er)极管(guan)的电流应该始(shi)终(zhong)比(bi)较小(xiao)  （在微安数量级上）。

如果(guo)流经钳位二极(ji)管的电流过大，就(jiu)存在(zai)部件(jian)闭锁的危(wei)险。由于(yu)5V 输出(chu)的源电阻通常在(zai) 10Ω  左右，因此仍(reng)需串(chuan)联(lian)一个电阻，限制流经钳位二极(ji)管的电流，如图 10-1所示(shi)。使用串(chuan)联(lian)电阻的后果(guo)是降低了输入开关的速度，因为引脚 （CL）上构(gou)成了  RC 时间常数。

如果没有钳位二极(ji)管，可以(yi)在电流中(zhong)添(tian)加(jia)一个外部二极(ji)管，如图 10-2 所示。

方法十一：5V→3.3V有源钳位

使用二极管(guan)(guan)钳位有一(yi)个问(wen)题，即它将向(xiang) 3.3V 电(dian)源(yuan)注入电(dian)流(liu)。在具有高(gao)电(dian)流(liu)  5V 输(shu)出且轻(qing)载 3.3V 电(dian)源(yuan)轨的设计(ji)中，这种电(dian)流(liu)注入可(ke)能会使 3.3V 电(dian)源(yuan)电(dian)压(ya)超(chao)过  3.3V。为了(le)避(bi)免这个问(wen)题，可(ke)以用一(yi)个三极管(guan)(guan)来替代，三极管(guan)(guan)使过量的输(shu)出驱(qu)动(dong)电(dian)流(liu)流(liu)向(xiang)地，而不(bu)是 3.3V 电(dian)源(yuan)。设计(ji)的电(dian)路(lu)如(ru)图 11-1 所示(shi)。

Q1的(de)基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)-发(fa)射极(ji)(ji)(ji)结所起(qi)的(de)作用(yong)与二极(ji)(ji)(ji)管(guan)钳(qian)位电(dian)(dian)(dian)路中(zhong)的(de)二极(ji)(ji)(ji)管(guan)相同。区别(bie)在于，发(fa)射极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)只有百分之几流(liu)(liu)(liu)出基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)进入(ru) 3.3V  轨，绝大部分电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)都流(liu)(liu)(liu)向集(ji)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)，再(zai)从集(ji)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)无(wu)害(hai)地(di)流(liu)(liu)(liu)入(ru)地(di)。基(ji)(ji)极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)与集(ji)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)之比，由晶体管(guan)的(de)电(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)增益决(jue)(jue)定(ding)，通常为10-400，取(qu)决(jue)(jue)于所使用(yong)的(de)晶体管(guan)。

方法十二：5V→3.3V电阻分压器

可(ke)以使用(yong)(yong)简单(dan)的(de)电阻(zu)分(fen)压器将(jiang) 5V 器件的(de)输出(chu)降低到(dao)适用(yong)(yong)于 3.3V 器件输入的(de)电平。这种接(jie)口的(de)等效电路如(ru)图 12-1 所示(shi)。

通常(chang)，源电(dian)阻 RS 非常(chang)小(xiao) （小(xiao)于(yu)(yu) 10Ω），如(ru)果选择(ze)的 R1 远大(da)于(yu)(yu)RS 的话，那(nei)么可(ke)(ke)以忽略(lve) RS 对 R1 的影(ying)响。在接收(shou)端，负(fu)载电(dian)阻 RL 非常(chang)大(da) （大(da)于(yu)(yu)500 kΩ），如(ru)果选择(ze)的R2远小(xiao)于(yu)(yu)RL的话，那(nei)么可(ke)(ke)以忽略(lve) RL 对 R2 的影(ying)响。

在功(gong)耗和(he)瞬态时(shi)间之间存在取舍权衡。为了使(shi)接口电(dian)(dian)流的功(gong)耗需求最小，串联电(dian)(dian)阻(zu)  R1 和(he) R2 应(ying)尽可(ke)能大(da)。但(dan)是，负载电(dian)(dian)容 （由杂散电(dian)(dian)容 CS 和(he) 3.3V 器件的输入电(dian)(dian)容 CL  合成）可(ke)能会对(dui)输入信号的上(shang)升和(he)下降时(shi)间产生不利影(ying)响(xiang)。如果 R1 和(he) R2 过(guo)(guo)大(da)，上(shang)升和(he)下降时(shi)间可(ke)能会过(guo)(guo)长而无法接受。

如果忽略 RS 和 RL 的(de)影响，则确(que)定 R1 和 R2 的(de)式(shi)子(zi)由下面的(de)公(gong)式(shi) 12-1 给(ji)出。

公(gong)(gong)式(shi) 12-2  给出(chu)了确定(ding)上升和下降时间(jian)的公(gong)(gong)式(shi)。为(wei)(wei)便于电(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)分析，使(shi)用戴维(wei)宁等(deng)(deng)效计算来确定(ding)外加电(dian)(dian)压(ya) VA  和串联电(dian)(dian)阻R。戴维(wei)宁等(deng)(deng)效计算定(ding)义(yi)为(wei)(wei)开路(lu)(lu)(lu)电(dian)(dian)压(ya)除以短路(lu)(lu)(lu)电(dian)(dian)流(liu)。根据公(gong)(gong)式(shi) 12-2 所施加的限制，对于图 12-1 所示(shi)电(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)，确定(ding)的戴维(wei)宁等(deng)(deng)效电(dian)(dian)阻 R  应为(wei)(wei) 0.66*R1，戴维(wei)宁等(deng)(deng)效电(dian)(dian)压(ya) VA 应为(wei)(wei)0.66*VS。

例如，假设有下列(lie)条件存在(zai)：

杂(za)散电容=30pF

负载(zai)电容= 5pF

从 0.3V 至 3V 的(de)最(zui)大上(shang)升(sheng)时间(jian)≤1μs

外加源电压 Vs=5V

确定(ding)最大电阻的计算(suan)如公式(shi)12-3所示(shi)。

方法十三：3.3V→5V电平转换器

尽管电平转换(huan)(huan)可(ke)以分立地进行，但(dan)通常使用(yong)集成解决方案较受欢迎。电平转换(huan)(huan)器的使用(yong)范(fan)围比较广(guang)泛：有单向和双(shuang)向配置、不同的电压转换(huan)(huan)和不同的速度(du)，供用(yong)户选择最佳的解决方案。

器(qi)件(jian)之(zhi)间(jian)的(de)板(ban)级(ji)通讯 （例如， MCU至外设）通过(guo)SPI或(huo)I2C? 来进行，这是最常见(jian)的(de)。对(dui)(dui)于SPI，使用单向电平转换器(qi)比较合(he)适；对(dui)(dui)于 I2C，就需要(yao)使用双向解决方案。下(xia)面的(de)图13-1显示(shi)了(le)这两种解决方案。

模拟(ni)

3.3V至5V接(jie)口的(de)(de)(de)(de)(de)最后(hou)一项挑战是(shi)如何(he)转(zhuan)换(huan)(huan)模拟(ni)信号，使之跨(kua)越电(dian)(dian)源(yuan)障碍。低电(dian)(dian)平信号可(ke)能(neng)不需要外部(bu)电(dian)(dian)路，但(dan)在(zai)(zai) 3.3V 与(yu) 5V  之间传送(song)信号的(de)(de)(de)(de)(de)系(xi)(xi)统(tong)则会受到电(dian)(dian)源(yuan)变化的(de)(de)(de)(de)(de)影响。例如，在(zai)(zai) 3.3V 系(xi)(xi)统(tong)中(zhong)，ADC转(zhuan)换(huan)(huan)1V峰值的(de)(de)(de)(de)(de)模拟(ni)信号，其分辨率要比5V系(xi)(xi)统(tong)中(zhong) ADC  转(zhuan)换(huan)(huan)的(de)(de)(de)(de)(de)高，这是(shi)因为在(zai)(zai) 3.3V ADC 中(zhong)，ADC 量程(cheng)中(zhong)更多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)分用(yong)于转(zhuan)换(huan)(huan)。但(dan)另(ling)一方(fang)面(mian)，3.3V  系(xi)(xi)统(tong)中(zhong)相对较高的(de)(de)(de)(de)(de)信号幅值，与(yu)系(xi)(xi)统(tong)较低的(de)(de)(de)(de)(de)共(gong)模电(dian)(dian)压(ya)限制(zhi)可(ke)能(neng)会发(fa)生(sheng)冲突。

因此(ci)，为了补偿(chang)上述差异，可能需要某(mou)种接口电路。本节将(jiang)讨论接口电路，以帮助缓和信(xin)号(hao)在不同电源之间转换(huan)的问题。

方法十四：3.3V→5V模拟增益模块

从3.3V电(dian)(dian)源(yuan)连接至5V时，需要提升模拟电(dian)(dian)压。33kΩ和17kΩ电(dian)(dian)阻设定了运放的(de)增益，从而在两端均使用满量(liang)程。11 kΩ 电(dian)(dian)阻限制了流回 3.3V 电(dian)(dian)路的(de)电(dian)(dian)流。

方法十五：3.3V→5V模拟补偿模块

该模块(kuai)用于(yu)补偿3.3V转换到(dao) 5V 的(de)模拟(ni)电(dian)压(ya)。下(xia)面是将 3.3V  电(dian)源(yuan)供电(dian)的(de)模拟(ni)电(dian)压(ya)转换为(wei)(wei)由(you)5V电(dian)源(yuan)供电(dian)。右上方的(de) 147 kΩ、 30.1 kΩ 电(dian)阻(zu)以及(ji)+5V 电(dian)源(yuan)，等(deng)效于(yu)串(chuan)联了 25kΩ电(dian)阻(zu)的(de)0.85V 电(dian)压(ya)源(yuan)。这个(ge)等(deng)效的(de) 25 kΩ 电(dian)阻(zu)、三个(ge)25kΩ电(dian)阻(zu)以及(ji)运(yun)放(fang)构(gou)成了增益为(wei)(wei)1V/V 的(de)差动放(fang)大器。 0.85V等(deng)效电(dian)压(ya)源(yuan)将出现在输入(ru)端的(de)任何信号向(xiang)上平(ping)移相同(tong)的(de)幅度；以 3.3V/2 = 1.65V 为(wei)(wei)中(zhong)心的(de)信号将同(tong)时以5.0V/2=2.50V 为(wei)(wei)中(zhong)心。左上方的(de)电(dian)阻(zu)限制了来自 5V 电(dian)路的(de)电(dian)流。

方法十六：5V→3.3V有源模拟衰减器

此技巧使用运(yun)算放大器衰(shuai)减(jian)从 5V 至 3.3V 系统的信号(hao)幅值(zhi)。

要将 5V 模(mo)拟信号转换为 3.3V 模(mo)拟信号，最简单(dan)的(de)方法是使(shi)用 R1:R2 比值为 1.7:3.3 的(de)电阻分压器。然而(er)，这(zhei)种方法存(cun)在一(yi)些问题。

1）衰减(jian)器可能会接(jie)至容性负载，构成不(bu)期望得到的(de)低通滤波器。

2）衰减器电路可能需要从高阻抗源驱(qu)动低(di)阻抗负载(zai)。

无(wu)论是哪种(zhong)情形，都需要运算放大器用以缓冲信号。所需的运放电路是单位增益跟(gen)随器 （见图(tu) 16-1）。

电路输(shu)出(chu)电压(ya)与加在(zai)输(shu)入的电压(ya)相同。

为了把 5V 信号(hao)转(zhuan)换(huan)为较(jiao)低的 3V 信号(hao)，我们(men)只要加上电(dian)阻(zu)衰(shuai)减(jian)器即可。

如果电阻分压器(qi)位(wei)于单位(wei)增(zeng)益跟(gen)随器(qi)之前(qian)，那么将为(wei) 3.3V 电路提(ti)供(gong)最低的(de)(de)阻抗。此外(wai)，运放可(ke)以从(cong)3.3V 供(gong)电，这将节(jie)省(sheng)一些(xie)功耗(hao)。如果选择的(de)(de) X 非常大(da)(da)的(de)(de)话(hua)， 5V 侧(ce)的(de)(de)功耗(hao)可(ke)以最大(da)(da)限度地(di)减小。

如果(guo)衰(shuai)减(jian)器(qi)位(wei)(wei)于(yu)单位(wei)(wei)增益跟随(sui)器(qi)之后，那(nei)么对 5V源而言就有最高的阻抗(kang)。运放必须从 5V 供电(dian)，3V 侧的阻抗(kang)将取决于(yu) R1||R2 的值。

方法十七：5V→3.3V模拟限幅器

在将(jiang)(jiang) 5V 信号(hao)传送给 3.3V  系统(tong)时(shi)，有时(shi)可以将(jiang)(jiang)衰减用作增益。如果(guo)期(qi)望的信号(hao)小于 5V，那么把信号(hao)直接(jie)送入 3.3V ADC 将(jiang)(jiang)产(chan)生(sheng)较大的转(zhuan)换值。当信号(hao)接(jie)近 5V  时(shi)就会出(chu)现(xian)危险。所以，需要控制电(dian)压越限的方法(fa)，同时(shi)不影(ying)响正常范围中(zhong)的电(dian)压。这(zhei)里将(jiang)(jiang)讨论三种实(shi)现(xian)方法(fa)。

1. 使(shi)用二极管(guan)，钳位(wei)过电压(ya)至(zhi) 3.3V 供电系统。

2. 使(shi)用齐纳二极管，把电压钳位至任何(he)期望(wang)的(de)电压限。

3. 使用带(dai)二极管的运算放大器(qi)，进行精确钳(qian)位。

进行过(guo)电压钳位(wei)的最简(jian)单的方法(fa)，与(yu)将 5V 数(shu)字信(xin)号(hao)连(lian)接(jie)至 3.3V  数(shu)字信(xin)号(hao)的简(jian)单方法(fa)完全相同。使用(yong)电阻和二极管，使过(guo)量电流流入 3.3V 电源(yuan)。选用(yong)的电阻值必(bi)须(xu)能够保(bao)护(hu)二极管和 3.3V  电源(yuan)，同时(shi)还不会对模(mo)拟(ni)性能造成负(fu)面(mian)影响(xiang)。

如果 3.3V 电源(yuan)(yuan)的阻抗(kang)太低(di)，那么(me)这种类型(xing)的钳位可(ke)能致使(shi)(shi)(shi)3.3V 电源(yuan)(yuan)电压上升。即使(shi)(shi)(shi) 3.3V  电源(yuan)(yuan)有(you)很好的低(di)阻抗(kang)，当(dang)二(er)极(ji)(ji)管导(dao)通(tong)时，以及在(zai)频率足够高的情况下(xia)，当(dang)二(er)极(ji)(ji)管没有(you)导(dao)通(tong)时 （由于有(you)跨越二(er)极(ji)(ji)管的寄(ji)生电容），此类钳位都将(jiang)使(shi)(shi)(shi)输入信(xin)号向(xiang)3.3V电源(yuan)(yuan)施加(jia)噪声(sheng)。

为了(le)防止输入(ru)信(xin)(xin)号对(dui)电(dian)(dian)源造成影响，或者为了(le)使(shi)输入(ru)应对(dui)较大的(de)瞬态电(dian)(dian)流(liu)时更(geng)为从(cong)容，对(dui)前述(shu)方法稍(shao)加变化，改(gai)用齐(qi)(qi)纳二极(ji)(ji)管(guan)。齐(qi)(qi)纳二极(ji)(ji)管(guan)的(de)速度通(tong)常要比第一个电(dian)(dian)路(lu)中所使(shi)用的(de)快速信(xin)(xin)号二极(ji)(ji)管(guan)慢。不过，齐(qi)(qi)纳钳(qian)位一般来说更(geng)为结实，钳(qian)位时不依赖(lai)于(yu)电(dian)(dian)源的(de)特性参数。钳(qian)位的(de)大小取决(jue)于(yu)流(liu)经二极(ji)(ji)管(guan)的(de)电(dian)(dian)流(liu)。这由 R1 的(de)值决(jue)定。如果(guo) VIN 源的(de)输出阻抗足(zu)够(gou)大的(de)话，也可不需要 R1。

如(ru)果(guo)需要不依赖于电(dian)源(yuan)的(de)更为精确的(de)过电(dian)压钳(qian)位，可以使用运放(fang)来得到精密(mi)二极(ji)管(guan)。电(dian)路如(ru)图 17-3所示(shi)。运放(fang)补偿了二极(ji)管(guan)的(de)正向压降(jiang)，使得电(dian)压正好被钳(qian)位在运放(fang)的(de)同相输入端电(dian)源(yuan)电(dian)压上。如(ru)果(guo)运放(fang)是(shi)轨到轨的(de)话，可以用 3.3V 供电(dian)。

由(you)于钳位是(shi)通过(guo)运放来进行的，不(bu)会影(ying)响到电源。

运(yun)放(fang)不(bu)能改善低电(dian)压电(dian)路(lu)中(zhong)出现的阻抗(kang)(kang)，阻抗(kang)(kang)仍为R1 加上源电(dian)路(lu)阻抗(kang)(kang)。

方法十八：驱动双极型晶体管

在驱(qu)(qu)动(dong)(dong)双极(ji)型晶(jing)体(ti)(ti)管时，基(ji)(ji)极(ji) “驱(qu)(qu)动(dong)(dong)”电(dian)流(liu)(liu)和正向电(dian)流(liu)(liu)增益  （Β/hFE）将(jiang)决定晶(jing)体(ti)(ti)管将(jiang)吸纳多少电(dian)流(liu)(liu)。如果晶(jing)体(ti)(ti)管被单片机 I/O 端口(kou)(kou)驱(qu)(qu)动(dong)(dong)，使(shi)用(yong)端口(kou)(kou)电(dian)压和端口(kou)(kou)电(dian)流(liu)(liu)上限(xian) （典型值 20  mA）来计算基(ji)(ji)极(ji)驱(qu)(qu)动(dong)(dong)电(dian)流(liu)(liu)。如果使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)是 3.3V 技术，应改(gai)用(yong)阻值较小的(de)(de)(de)基(ji)(ji)极(ji)电(dian)流(liu)(liu)限(xian)流(liu)(liu)电(dian)阻，以确(que)保有(you)足够的(de)(de)(de)基(ji)(ji)极(ji)驱(qu)(qu)动(dong)(dong)电(dian)流(liu)(liu)使(shi)晶(jing)体(ti)(ti)管饱(bao)和。

RBASE的值取决(jue)于单片机(ji)电源电压。公式18-1 说明了如何计算(suan) RBASE。

如果将双极型晶体(ti)管用作开关，开启或关闭由单片机 I/O 端口引脚控制(zhi)的(de)负载，应(ying)使用最(zui)小的(de) hFE规范和裕度，以(yi)确保器(qi)件(jian)完全(quan)饱(bao)和。

方法十九：驱动N沟道MOSFET晶体管

在选(xuan)择与(yu) 3.3V 单(dan)片(pian)机配合使用(yong)的(de)外部 N 沟道MOSFET  时，一定要小心(xin)。MOSFET 栅极阈(yu)值电压表(biao)明了器件完全饱和的(de)能力(li)。对于 3.3V 应用(yong)，所(suo)选(xuan) MOSFET 的(de)额(e)定导通电阻应针对 3V  或更小的(de)栅极驱动电压。

例如，对(dui)于(yu)具有 3.3V 驱动的(de)100 mA负载，额定(ding)漏极(ji)(ji)(ji)电流(liu)为250 μA的(de)FET在(zai)栅极(ji)(ji)(ji) - 源(yuan)极(ji)(ji)(ji)施(shi)加 1V  电压时，不一定(ding)能提供满意的(de)结果。在(zai)从 5V 转换到 3V 技术时，应仔细检查栅极(ji)(ji)(ji)- 源(yuan)极(ji)(ji)(ji)阈(yu)值和导(dao)通电阻特性参数，如图(tu)  19-1所示。稍(shao)微减(jian)少栅极(ji)(ji)(ji)驱动电压，可以显著减(jian)小漏电流(liu)。

对于 MOSFET，低阈(yu)(yu)值器件较为(wei)常(chang)(chang)见，其漏(lou)－源(yuan)电压(ya)额定值低于 30V。漏(lou)－源(yuan)额定电压(ya)大(da)于 30V的 MOSFET，通常(chang)(chang)具有更高的阈(yu)(yu)值电压(ya) （VT）。

如(ru)表 19-1 所示，此(ci)(ci) 30V N 沟道 MOSFET 开关(guan)的阈值(zhi)电(dian)(dian)压是 0.6V。栅极施加(jia) 2.8V 的电(dian)(dian)压时(shi)，此(ci)(ci)MOSFET 的额(e)定电(dian)(dian)阻是 35 mΩ，因此(ci)(ci)，它非常(chang)适用于(yu) 3.3V 应用。

对于(yu)(yu) IRF7201 数(shu)据手册中的规范(fan)，栅(zha)极阈值电(dian)压最小值规定为(wei)  1.0V。这(zhei)并(bing)不(bu)(bu)意味(wei)着器件可(ke)(ke)以用来(lai)在1.0V 栅(zha) - 源电(dian)压时开关电(dian)流，因为(wei)对于(yu)(yu)低于(yu)(yu) 4.5V 的VGS （th），没有说明规范(fan)。对于(yu)(yu)需要低开关电(dian)阻的 3.3V 驱动的应用，不(bu)(bu)建议使用 IRF7201，但(dan)它(ta)可(ke)(ke)以用于(yu)(yu) 5V 驱动应用。

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