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最简易的(de)5v转3.3v电路

使(shi)用LDO稳(wen)压器，从5V电源(yuan)向(xiang)3.3V系统供电

标(biao)准三(san)端线性稳压器(qi)的(de)(de)压差通(tong)常是(shi) 2.0-3.0V。要把 5V 可(ke)靠地转换为(wei) 3.3V，就不能(neng)使用它们。压差为(wei)几(ji)百个(ge)(ge)毫(hao)伏的(de)(de)低压降(jiang) （Low Dropout， LDO）稳压器(qi)，是(shi)此类(lei)应用的(de)(de)理(li)想(xiang)选择。图 1-1 是(shi)基(ji)本LDO 系统的(de)(de)框(kuang)图，标(biao)注(zhu)了相应的(de)(de)电流。从(cong)图中可(ke)以看出， LDO 由四个(ge)(ge)主要部分组成：

1. 导通晶体管

2. 带隙(xi)参考源

3. 运(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)

4. 反馈(kui)电阻分压器

在(zai)选(xuan)择 LDO 时，重要的(de)(de)是要知道(dao)如何(he)区分(fen)各(ge)种LDO。器(qi)件的(de)(de)静态电流、封装大小和型号是重要的(de)(de)器(qi)件参数。根(gen)据(ju)具体应用(yong)来确(que)定各(ge)种参数，将会得到最优的(de)(de)设计。

LDO的(de)(de)(de)静(jing)态(tai)电(dian)(dian)流IQ是器(qi)件空载工作时器(qi)件的(de)(de)(de)接地电(dian)(dian)流 IGND。 IGND 是 LDO 用来进行稳压(ya)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)流。当IOUT>>IQ 时， LDO 的(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)可用输出电(dian)(dian)压(ya)除(chu)以输入电(dian)(dian)压(ya)来近似(si)地得到(dao)。然而，轻(qing)载时，必须将 IQ 计(ji)入效(xiao)率(lv)计(ji)算(suan)中。具(ju)有(you)较低 IQ 的(de)(de)(de) LDO 其轻(qing)载效(xiao)率(lv)较高(gao)。轻(qing)载效(xiao)率(lv)的(de)(de)(de)提(ti)高(gao)对于(yu) LDO 性能有(you)负(fu)面(mian)影响(xiang)。静(jing)态(tai)电(dian)(dian)流较高(gao)的(de)(de)(de) LDO 对于(yu)线路(lu)和负(fu)载的(de)(de)(de)突然变化(hua)有(you)更快的(de)(de)(de)响(xiang)应。

技巧二：采用齐纳二极管的低成本供电系统

这里(li)详细(xi)说明了(le)一个采用齐纳二极管的低成本稳压器(qi)方案。

可以用齐纳二(er)极管和电阻做成(cheng)(cheng)简单的(de)低(di)成(cheng)(cheng)本 3.3V稳(wen)压(ya)器，如图(tu) 2-1 所(suo)示。在很多应用中，该电路可以替(ti)代 LDO 稳(wen)压(ya)器并具成(cheng)(cheng)本效益(yi)。但是，这种稳(wen)压(ya)器对负载敏感的(de)程度要高于(yu) LDO 稳(wen)压(ya)器。另外，它(ta)的(de)能效较低(di)，因为 R1 和 D1 始终有功耗。R1 限制流(liu)入D1 和 PICmicro? MCU的(de)电流(liu)，从而使VDD 保持在允许范(fan)围(wei)内。由于(yu)流(liu)经(jing)齐纳二(er)极管的(de)电流(liu)变化时，二(er)极管的(de)反向电压(ya)也将发生(sheng)改变，所(suo)以需(xu)要仔细考(kao)虑 R1 的(de)值。

R1 的(de)选择依(yi)据是(shi)：在(zai)最大负载时(shi)——通常是(shi)在(zai)PICmicro MCU 运行且驱(qu)动其输出为高电(dian)平(ping)时(shi)——R1上的(de)电(dian)压降(jiang)要足够低从而使PICmicro MCU有足以维持工作所需的(de)电(dian)压。同时(shi)，在(zai)最小负载时(shi)——通常是(shi) PICmicro MCU 复位时(shi)——VDD 不超过齐纳二(er)极管的(de)额定功率，也(ye)不超过 PICmicro MCU的(de)最大 VDD。

技巧三：采用3个整流二极管的更低成本供电系统

图(tu) 3-1 详细说(shuo)明了一个采用(yong) 3 个整流二(er)极管的(de)更(geng)低成本稳压(ya)器(qi)方案(an)。

我们也可以把(ba)几个常规(gui)开关二(er)极管串(chuan)联起来(lai)(lai)，用(yong)其正向压(ya)降来(lai)(lai)降低进入的(de)(de)(de) PICmicro MCU 的(de)(de)(de)电(dian)(dian)压(ya)。这(zhei)甚至比齐纳(na)二(er)极管稳压(ya)器的(de)(de)(de)成本(ben)还要低。这(zhei)种设计的(de)(de)(de)电(dian)(dian)流消耗(hao)通常要比使用(yong)齐纳(na)二(er)极管的(de)(de)(de)电(dian)(dian)路低。

所(suo)需二极管的(de)数量根据所(suo)选用二极管的(de)正向(xiang)电(dian)压而变化。二极管 D1-D3 的(de)电(dian)压降(jiang)是流(liu)经这些二极管的(de)电(dian)流(liu)的(de)函数。连接(jie) R1 是为了避(bi)免在负载最(zui)小时——通(tong)常(chang)是 PICmicro MCU 处于复(fu)位或休眠状态(tai)时——PICmicro MCU VDD 引脚(jiao)上(shang)的(de)电(dian)压超过PICmicro MCU 的(de)最(zui)大 VDD 值。根据其(qi)他连接(jie)至(zhi)VDD 的(de)电(dian)路，可以提高(gao)R1 的(de)阻(zu)值，甚至(zhi)也可能完全不(bu)需要 R1。二极管 D1-D3 的(de)选择依(yi)据是：在最(zui)大负载时——通(tong)常(chang)是 PICmicro MCU 运行且驱(qu)动(dong)其(qi)输出(chu)为高(gao)电(dian)平时——D1-D3 上(shang)的(de)电(dian)压降(jiang)要足够低(di)从而能够满足 PICmicro MCU 的(de)最(zui)低(di) VDD 要求。

技巧四：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(ya)(ya)开关稳(wen)压(ya)(ya)器(qi)是(shi)一(yi)种基于电(dian)感的(de)转(zhuan)换(huan)器(qi)，用来把输(shu)入电(dian)压(ya)(ya)源(yuan)降低(di)至幅值较低(di)的(de)输(shu)出(chu)电(dian)压(ya)(ya)。输(shu)出(chu)稳(wen)压(ya)(ya)是(shi)通过控制 MOSFET Q1 的(de)导通（ON）时间来实现(xian)的(de)。由于 MOSFET 要(yao)么处于低(di)阻(zu)状态(tai)，要(yao)么处于高阻(zu)状态(tai)（分别为 ON 和OFF），因(yin)此高输(shu)入源(yuan)电(dian)压(ya)(ya)能够高效(xiao)率地转(zhuan)换(huan)成较低(di)的(de)输(shu)出(chu)电(dian)压(ya)(ya)。

当 Q1 在这两(liang)种(zhong)状态期间时，通过平衡(heng)电感的(de)电压(ya)- 时间，可以建(jian)立输(shu)入和(he)输(shu)出电压(ya)之间的(de)关(guan)系。

对于 MOSFET Q1，有(you)下式：

在选择电(dian)(dian)感的(de)值(zhi)时(shi)，使电(dian)(dian)感的(de)最大峰(feng) - 峰(feng)纹波电(dian)(dian)流等于最大负载电(dian)(dian)流的(de)百分之十的(de)电(dian)(dian)感值(zhi)，是个很好的(de)初始选择。

在选择(ze)输出(chu)电容(rong)值时，好的(de)初值是(shi)：使 LC 滤波器特性阻抗(kang)等于负(fu)载电阻。这样(yang)在满载工作期间如果突然卸(xie)掉负(fu)载，电压(ya)过冲能(neng)处于可(ke)接受范围之内。

在(zai)选择(ze)二极管(guan) D1 时，应(ying)选择(ze)额(e)定电(dian)流(liu)足(zu)够大的元(yuan)件，使之能够承受脉冲(chong)周期(qi) （IL）放电(dian)期(qi)间的电(dian)感电(dian)流(liu)。

数字连接

在连接(jie)(jie)两个工作电(dian)压不(bu)同(tong)的(de)器(qi)件时(shi)，必须要知道其(qi)各自的(de)输出、输入(ru)阈(yu)值。知道阈(yu)值之后，可根据应用(yong)的(de)其(qi)他需求选(xuan)择器(qi)件的(de)连接(jie)(jie)方法。表 4-1 是本文档所(suo)使用(yong)的(de)输出、输入(ru)阈(yu)值。在设计连接(jie)(jie)时(shi)，请务(wu)必参(can)考制造商的(de)数据手册以(yi)获得实际的(de)阈(yu)值电(dian)平。

技巧五：3.3V →5V直接连接

将(jiang) 3.3V 输(shu)出(chu)连(lian)接(jie)到 5V 输(shu)入最(zui)简(jian)单、最(zui)理想的方法(fa)是直接(jie)连(lian)接(jie)。直接(jie)连(lian)接(jie)需要(yao)满足以下 2 点要(yao)求：

3.3V输(shu)出的(de) VOH 大(da)于(yu) 5V 输(shu)入的(de) VIH

3.3V输(shu)出的(de) VOL 小于 5V 输(shu)入的(de) VIL

能(neng)够使用这种(zhong)方法(fa)的例子之一是将 3.3V LVCMOS输(shu)出连接到 5V TTL 输(shu)入。从表 4-1 中所给出的值可以(yi)清(qing)楚地看到上述(shu)要求均(jun)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(zhei)两(liang)个要求得不(bu)到满足(zu)，连接两(liang)个部分时就需(xu)要额外的电路。可能的解决方(fang)案请参阅技巧 6、7、 8 和(he) 13。

技巧六：3.3V→5V使用MOSFET转换器

如果 5V 输(shu)入的(de) VIH 比 3.3V CMOS 器件的(de) VOH 要高(gao)，则驱(qu)动任何这样的(de) 5V 输(shu)入就需要额外的(de)电(dian)路。图 6-1 所(suo)示为(wei)低成(cheng)本的(de)双元件解决方(fang)案。

在选择 R1 的(de)阻值时(shi)，需要考虑两个参(can)数，即：输入的(de)开关速度和 R1 上的(de)电流(liu)消耗。当把(ba)输入从(cong) 0切换到 1 时(shi)，需要计(ji)入因 R1 形成的(de) RC 时(shi)间(jian)常数而导致(zhi)的(de)输入上升时(shi)间(jian)、 5V 输入的(de)输入容抗以(yi)及(ji)电路板(ban)上任何的(de)杂散电容。输入开关速度可通过下式计(ji)算(suan)：

由于输(shu)入(ru)容(rong)抗(kang)和电路板上的(de)(de)杂(za)散电容(rong)是(shi)固(gu)定的(de)(de)，提高(gao)输(shu)入(ru)开关(guan)速度的(de)(de)惟一途径是(shi)降低 R1 的(de)(de)阻值。而降低 R1 阻值以获(huo)取更短的(de)(de)开关(guan)时(shi)(shi)间，却是(shi)以增大5V 输(shu)入(ru)为(wei)低电平时(shi)(shi)的(de)(de)电流消耗为(wei)代价(jia)的(de)(de)。通常，切换到(dao) 0 要(yao)(yao)比(bi)切换到(dao) 1 的(de)(de)速度快得多，因(yin)为(wei) N 沟(gou)道(dao) MOSFET 的(de)(de)导通电阻要(yao)(yao)远小于 R1。另外，在(zai)选择 N 沟(gou)道(dao) FET 时(shi)(shi)，所(suo)选 FET 的(de)(de)VGS 应低于3.3V 输(shu)出的(de)(de) VOH。

技巧七：3.3V→5V使用二极管补偿

表 7-1 列出(chu)了 5V CMOS 的输(shu)入电(dian)压阈(yu)值(zhi)、 3.3VLVTTL 和 LVCMOS 的输(shu)出(chu)驱动电(dian)压。

从上(shang)表看出， 5V CMOS 输(shu)入(ru)的(de)高(gao)、低(di)输(shu)入(ru)电压(ya)阈值(zhi)均比 3.3V 输(shu)出的(de)阈值(zhi)高(gao)约一(yi)伏。因此，即使来自 3.3V 系(xi)统的(de)输(shu)出能(neng)(neng)够被补(bu)偿(chang)，留(liu)给噪(zao)声或(huo)元件(jian)容差(cha)的(de)余地也很小或(huo)者没有。我们需要的(de)是能(neng)(neng)够补(bu)偿(chang)输(shu)出并加大高(gao)低(di)输(shu)出电压(ya)差(cha)的(de)电路(lu)。

输(shu)出(chu)(chu)电压规范确定后，就(jiu)已(yi)经假定：高(gao)输(shu)出(chu)(chu)驱(qu)动(dong)的(de)(de)是输(shu)出(chu)(chu)和地之(zhi)间的(de)(de)负载(zai)，而(er)低(di)输(shu)出(chu)(chu)驱(qu)动(dong)的(de)(de)是 3.3V和输(shu)出(chu)(chu)之(zhi)间的(de)(de)负载(zai)。如果高(gao)电压阈值(zhi)的(de)(de)负载(zai)实(shi)(shi)际上是在输(shu)出(chu)(chu)和 3.3V 之(zhi)间的(de)(de)话(hua)，那么输(shu)出(chu)(chu)电压实(shi)(shi)际上要高(gao)得(de)多，因为拉高(gao)输(shu)出(chu)(chu)的(de)(de)机制是负载(zai)电阻，而(er)不是输(shu)出(chu)(chu)三极管。

如果我们设计(ji)一(yi)个(ge)二(er)极(ji)管补偿电(dian)路(lu) （见图 7-1），二(er)极(ji)管 D1 的(de)正向电(dian)压(ya) （典型值 0.7V）将(jiang)会使输(shu)(shu)出(chu)低电(dian)压(ya)上(shang)升，在 5V CMOS 输(shu)(shu)入(ru)得到(dao) 1.1V 至1.2V 的(de)低电(dian)压(ya)。它(ta)安全地处于(yu) 5V CMOS 输(shu)(shu)入(ru)的(de)低输(shu)(shu)入(ru)电(dian)压(ya)阈值之(zhi)下。输(shu)(shu)出(chu)高电(dian)压(ya)由(you)上(shang)拉(la)电(dian)阻(zu)和连至3.3V 电(dian)源的(de)二(er)极(ji)管 D2 确定。这使得输(shu)(shu)出(chu)高电(dian)压(ya)大约比 3.3V 电(dian)源高 0.7V，也就是 4.0 到(dao) 4.1V，很安全地在 5V CMOS 输(shu)(shu)入(ru)阈值 （3.5V）之(zhi)上(shang)。

注(zhu)： 为(wei)了使电(dian)路工作正(zheng)常(chang)，上拉电(dian)阻必(bi)须显(xian)著小于 5V CMOS 输入的输入电(dian)阻，从而避免(mian)由于输入端电(dian)阻分压器效(xiao)应而导致(zhi)的输出电(dian)压下降(jiang)。上拉电(dian)阻还必(bi)须足够大，从而确(que)保加(jia)载在(zai) 3.3V 输出上的电(dian)流在(zai)器件规范之内(nei)。

技巧八：3.3V→5V使用电压比较器

比较器(qi)的基本工(gong)作如下：

反相(xiang) （-）输入电压大于(yu)同相(xiang) （+）输入电压时，比较器输出切换到 Vss。

同相(xiang) （+）输入端电压大于反相(xiang) （-）输入电压时，比较器输出为高电平。

为了(le)保持(chi) 3.3V 输(shu)出的(de)极性， 3.3V 输(shu)出必须连接到比(bi)较器(qi)的(de)同(tong)相输(shu)入(ru)(ru)端。比(bi)较器(qi)的(de)反相输(shu)入(ru)(ru)连接到由 R1 和 R2 确定的(de)参考电压(ya)处，如(ru)图 8-1 所示。

计算 R1 和 R2

R1 和 R2 之比(bi)取决(jue)于输入信(xin)号(hao)的(de)逻(luo)辑电平。对(dui)于3.3V 输出(chu)，反相(xiang)电压应该置于VOL 与(yu)VOH之间的(de)中点电压。对(dui)于 LVCMOS 输出(chu)，中点电压为：

如(ru)果 R1 和 R2 的逻(luo)辑(ji)电平关系如(ru)下，

若(ruo) R2 取(qu)值为 1K，则(ze) R1 为 1.8K。

经(jing)过适当连接后的运算放(fang)大器(qi)可(ke)以用(yong)作比(bi)较器(qi)，以将 3.3V 输入信(xin)号(hao)转换为 5V 输出(chu)信(xin)号(hao)。这是利用(yong)了(le)比(bi)较器(qi)的特性，即(ji)：根据(ju) “反(fan)相”输入与 “同相”输入之(zhi)间的压差幅值，比(bi)较器(qi)迫使输出(chu)为高(gao)（VDD）或低 （Vss）电平(ping)。

注： 要使运(yun)算放大器在 5V 供电下正常工作，输(shu)出(chu)必(bi)须具有轨(gui)(gui)到轨(gui)(gui)驱动(dong)能力。

技巧九：5V→3.3V直接连接

通(tong)常(chang) 5V 输出(chu)的 VOH 为(wei) 4.7 伏， VOL 为(wei) 0.4 伏；而(er)通(tong)常(chang) 3.3V LVCMOS 输入的 VIH 为(wei) 0.7 x VDD， VIL为(wei) 0.2 x VDD。

当 5V 输(shu)出驱动为低时(shi)，不(bu)会有问题，因为 0.4 伏的(de)输(shu)出小于 0.8 伏的(de)输(shu)入(ru)阈(yu)值。当 5V 输(shu)出为高时(shi)， 4.7 伏的(de) VOH 大于 2.1 伏 VIH，所以，我们可以直接把两个引(yin)脚相连，不(bu)会有冲突，前提是3.3V CMOS 输(shu)出能够耐受 5 伏电(dian)压。

如果(guo) 3.3V CMOS 输入不能(neng)耐受 5 伏电压，则将出现问题(ti)，因(yin)为超(chao)出了输入的(de)最大电压规范。可能(neng)的(de)解决方案(an)请参见技巧 10-13。

技巧十：5V→3.3V使用二极管钳位

很多厂(chang)商都(dou)使(shi)用(yong)钳位(wei)二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)来保护(hu)(hu)器件的(de)(de) I/O 引(yin)脚(jiao)，防止引(yin)脚(jiao)上(shang)的(de)(de)电(dian)压(ya)(ya)超过最大(da)允许电(dian)压(ya)(ya)规范(fan)。钳位(wei)二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)使(shi)引(yin)脚(jiao)上(shang)的(de)(de)电(dian)压(ya)(ya)不(bu)会低于 Vss 超过一个二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)压(ya)(ya)降(jiang)(jiang)，也不(bu)会高于 VDD 超过一个二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)压(ya)(ya)降(jiang)(jiang)。要(yao)使(shi)用(yong)钳位(wei)二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)来保护(hu)(hu)输入(ru)，仍(reng)(reng)然要(yao)关(guan)注流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)经钳位(wei)二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)电(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)。流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)经钳位(wei)二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)电(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)应该始终比较小(xiao) （在微安(an)数量级上(shang)）。如果(guo)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)经钳位(wei)二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)电(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)过大(da)，就存(cun)在部件闭锁的(de)(de)危险。由于5V 输出的(de)(de)源电(dian)阻(zu)通常在 10Ω 左右，因此仍(reng)(reng)需串联一个电(dian)阻(zu)，限制流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)经钳位(wei)二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)电(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)，如图 10-1所示(shi)。使(shi)用(yong)串联电(dian)阻(zu)的(de)(de)后果(guo)是降(jiang)(jiang)低了(le)输入(ru)开(kai)关(guan)的(de)(de)速度，因为引(yin)脚(jiao) （CL）上(shang)构成了(le) RC 时间常数。

如果没有钳位二极管，可以在电流中添加一(yi)个外部二极管，如图 10-2 所示(shi)。

技巧十一：5V→3.3V有源钳位

使(shi)用二(er)极(ji)管(guan)钳位有(you)一个问题(ti)，即它将向 3.3V 电(dian)源注入电(dian)流(liu)。在具有(you)高电(dian)流(liu) 5V 输(shu)出且(qie)轻载 3.3V 电(dian)源轨的(de)设计(ji)中，这(zhei)种电(dian)流(liu)注入可能会使(shi) 3.3V 电(dian)源电(dian)压(ya)超过(guo) 3.3V。为了(le)避(bi)免这(zhei)个问题(ti)，可以用一个三(san)极(ji)管(guan)来替代，三(san)极(ji)管(guan)使(shi)过(guo)量的(de)输(shu)出驱动电(dian)流(liu)流(liu)向地，而不是 3.3V 电(dian)源。设计(ji)的(de)电(dian)路如(ru)图 11-1 所示。

Q1的(de)基(ji)极(ji)-发(fa)射极(ji)结(jie)所(suo)起的(de)作用与(yu)二极(ji)管(guan)钳(qian)位电(dian)(dian)(dian)(dian)路中的(de)二极(ji)管(guan)相同。区别在于(yu)(yu)，发(fa)射极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)只有百分之(zhi)(zhi)几(ji)流(liu)出(chu)基(ji)极(ji)进入 3.3V 轨，绝大部分电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)都(dou)流(liu)向集电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)，再从集电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)无害地(di)流(liu)入地(di)。基(ji)极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)与(yu)集电(dian)(dian)(dian)(dian)极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)之(zhi)(zhi)比，由晶体(ti)管(guan)的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)增益决定，通常为10-400，取(qu)决于(yu)(yu)所(suo)使用的(de)晶体(ti)管(guan)。

技巧十二：5V→3.3V电阻分压器

可以使用简单的电阻分压器将 5V 器件的输出降低到适用于 3.3V 器件输入(ru)的电平。这种接口的等效电路(lu)如图 12-1 所示。

通常，源电阻(zu)(zu) RS 非(fei)常小(xiao) （小(xiao)于 10Ω），如果(guo)选择(ze)的 R1 远(yuan)大(da)于RS 的话(hua)，那么可以(yi)忽(hu)略 RS 对 R1 的影(ying)响。在接收端，负载(zai)电阻(zu)(zu) RL 非(fei)常大(da) （大(da)于500 kΩ），如果(guo)选择(ze)的R2远(yuan)小(xiao)于RL的话(hua)，那么可以(yi)忽(hu)略 RL 对 R2 的影(ying)响。

在功(gong)耗(hao)和(he)瞬态时(shi)间(jian)之(zhi)间(jian)存在取舍权衡(heng)。为(wei)了使(shi)接口电流(liu)的功(gong)耗(hao)需求最小(xiao)，串(chuan)联电阻 R1 和(he) R2 应尽可能大(da)。但是，负载电容 （由杂散电容 CS 和(he) 3.3V 器件的输入电容 CL 合成）可能会对(dui)输入信号(hao)的上升(sheng)和(he)下降(jiang)时(shi)间(jian)产生不利影响。如果 R1 和(he) R2 过大(da)，上升(sheng)和(he)下降(jiang)时(shi)间(jian)可能会过长(zhang)而(er)无法接受。

如果(guo)忽略 RS 和(he) RL 的(de)影响，则确定 R1 和(he) R2 的(de)式子(zi)由(you)下面的(de)公式 12-1 给(ji)出。

公式(shi)(shi) 12-2 给出(chu)了确(que)定(ding)上升和(he)下降时(shi)间的公式(shi)(shi)。为(wei)便(bian)于电(dian)(dian)(dian)(dian)路分析，使用戴维(wei)宁(ning)等(deng)(deng)效(xiao)计算来确(que)定(ding)外加(jia)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya) VA 和(he)串(chuan)联(lian)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻R。戴维(wei)宁(ning)等(deng)(deng)效(xiao)计算定(ding)义为(wei)开(kai)路电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)除以短路电(dian)(dian)(dian)(dian)流。根据公式(shi)(shi) 12-2 所施加(jia)的限制，对于图 12-1 所示电(dian)(dian)(dian)(dian)路，确(que)定(ding)的戴维(wei)宁(ning)等(deng)(deng)效(xiao)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻 R 应为(wei) 0.66*R1，戴维(wei)宁(ning)等(deng)(deng)效(xiao)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya) VA 应为(wei)0.66*VS。

例如(ru)，假设有下列条件存在：

杂(za)散(san)电(dian)容 = 30 pF

负载电容 = 5 pF

从 0.3V 至 3V 的最大上升时间 ≤ 1 μs

外加源电压 Vs = 5V

确定(ding)最大电阻(zu)的计算如公式 12-3 所示。

技巧十三：3.3V→5V电平转换器

尽管电平(ping)转换(huan)可以分立地进行(xing)，但(dan)通常使用集成解(jie)(jie)决(jue)方(fang)案较受欢(huan)迎。电平(ping)转换(huan)器的(de)使用范(fan)围比较广(guang)泛：有(you)单向(xiang)和双向(xiang)配置、不同的(de)电压转换(huan)和不同的(de)速度，供用户选择(ze)最佳的(de)解(jie)(jie)决(jue)方(fang)案。

器件之间的板级通讯(xun) （例(li)如， MCU 至外设）通过(guo) SPI 或(huo) I2C? 来进行，这(zhei)是最常见的。对(dui)于SPI，使(shi)用单向(xiang)电平转换器比较合适；对(dui)于 I2C，就需要使(shi)用双向(xiang)解(jie)决方(fang)案(an)。下面的图 13-1 显示了(le)这(zhei)两种解(jie)决方(fang)案(an)。

模拟

3.3V 至 5V 接口的(de)(de)最后一(yi)项挑(tiao)战是如(ru)何转换(huan)模拟(ni)信(xin)号(hao)，使(shi)之跨越电源(yuan)障碍(ai)。低(di)电平信(xin)号(hao)可能不(bu)需(xu)要外部(bu)电路，但在 3.3V 与 5V 之间传(chuan)送信(xin)号(hao)的(de)(de)系(xi)统则会受到电源(yuan)变化的(de)(de)影响。例(li)如(ru)，在 3.3V 系(xi)统中(zhong)，ADC转换(huan)1V峰值的(de)(de)模拟(ni)信(xin)号(hao)，其分辨(bian)率(lv)要比5V系(xi)统中(zhong) ADC 转换(huan)的(de)(de)高，这是因为在 3.3V ADC 中(zhong)，ADC 量程中(zhong)更多的(de)(de)部(bu)分用于转换(huan)。但另一(yi)方(fang)面，3.3V 系(xi)统中(zhong)相对较高的(de)(de)信(xin)号(hao)幅值，与系(xi)统较低(di)的(de)(de)共(gong)模电压限制可能会发生冲(chong)突(tu)。

因此，为了补偿上述差异，可能(neng)需要某种接(jie)口电(dian)(dian)路(lu)。本节将讨论接(jie)口电(dian)(dian)路(lu)，以帮助缓(huan)和信号在不(bu)同电(dian)(dian)源之间转换(huan)的(de)问题。

技巧十四：3.3V→5V模拟增益模块

从 3.3V 电(dian)(dian)源连接(jie)至 5V 时，需要提升模拟电(dian)(dian)压。33 kΩ 和(he) 17kΩ 电(dian)(dian)阻设(she)定(ding)了运放(fang)的增(zeng)益，从而(er)在两端均使用(yong)满(man)量程。11 kΩ 电(dian)(dian)阻限制(zhi)了流回(hui) 3.3V 电(dian)(dian)路(lu)的电(dian)(dian)流。

技巧十五：3.3V→5V模拟补偿模块

该模(mo)块用于(yu)补(bu)偿 3.3V 转换到 5V 的(de)(de)模(mo)拟(ni)电(dian)压(ya)。下面是将 3.3V 电(dian)源(yuan)供(gong)(gong)电(dian)的(de)(de)模(mo)拟(ni)电(dian)压(ya)转换为(wei)(wei)由 5V电(dian)源(yuan)供(gong)(gong)电(dian)。右上(shang)方的(de)(de) 147 kΩ、 30.1 kΩ 电(dian)阻(zu)(zu)以(yi)及+5V 电(dian)源(yuan)，等效(xiao)于(yu)串联了(le) 25 kΩ 电(dian)阻(zu)(zu)的(de)(de) 0.85V 电(dian)压(ya)源(yuan)。这个等效(xiao)的(de)(de) 25 kΩ 电(dian)阻(zu)(zu)、三个 25 kΩ 电(dian)阻(zu)(zu)以(yi)及运放构成了(le)增益为(wei)(wei) 1 V/V 的(de)(de)差动(dong)放大(da)器。 0.85V等效(xiao)电(dian)压(ya)源(yuan)将出现(xian)在(zai)输(shu)入端的(de)(de)任何信号(hao)向(xiang)上(shang)平移相同(tong)的(de)(de)幅度；以(yi) 3.3V/2 = 1.65V 为(wei)(wei)中心的(de)(de)信号(hao)将同(tong)时以(yi) 5.0V/2 = 2.50V 为(wei)(wei)中心。左(zuo)上(shang)方的(de)(de)电(dian)阻(zu)(zu)限制了(le)来自 5V 电(dian)路的(de)(de)电(dian)流。

技巧十六：5V→3.3V有源模拟衰减

此技巧使用运算放大器衰减从 5V 至 3.3V 系统的(de)信(xin)号幅(fu)值。

要(yao)将(jiang) 5V 模拟(ni)信号(hao)转换为(wei) 3.3V 模拟(ni)信号(hao)，最简单的方(fang)法是使(shi)用(yong) R1:R2 比值为(wei) 1.7:3.3 的电阻分(fen)压器(qi)。然而，这(zhei)种方(fang)法存在一些问题。

1）衰(shuai)减器可能会接至容性负(fu)载，构(gou)成不(bu)期望得(de)到的低通滤波器。

2）衰(shuai)减器电(dian)路可(ke)能需要从高阻抗源(yuan)驱动低阻抗负(fu)载。

无论(lun)是哪种(zhong)情形，都需要(yao)运算放大器用以缓冲信(xin)号。

所需的运(yun)放电路是单位增益跟随器 （见图 16-1）。

电路输(shu)出电压(ya)(ya)与(yu)加在输(shu)入的电压(ya)(ya)相同。

为了把 5V 信(xin)号转换为较低的 3V 信(xin)号，我们只(zhi)要加上电阻衰减器即可。

如(ru)果(guo)电(dian)阻(zu)分压器位于单位增益跟随(sui)器之前，那么将为 3.3V 电(dian)路提供(gong)最(zui)低的阻(zu)抗。此外，运(yun)放可(ke)以从3.3V 供(gong)电(dian)，这(zhei)将节省一些(xie)功(gong)耗。如(ru)果(guo)选择的 X 非常大(da)的话(hua)， 5V 侧的功(gong)耗可(ke)以最(zui)大(da)限度地减小。

如果衰(shuai)减器位(wei)于(yu)单位(wei)增益跟(gen)随(sui)器之(zhi)后(hou)，那么对 5V源而言就(jiu)有最高(gao)的阻抗。运放必须从(cong) 5V 供(gong)电(dian)，3V 侧的阻抗将取(qu)决于(yu) R1||R2 的值。

技巧十七：5V→3.3V模拟限幅器

在将(jiang) 5V 信(xin)(xin)号(hao)传送(song)给 3.3V 系(xi)统(tong)时，有时可以(yi)将(jiang)衰(shuai)减用作增益(yi)。如果期望的信(xin)(xin)号(hao)小于 5V，那么把(ba)信(xin)(xin)号(hao)直接送(song)入 3.3V ADC 将(jiang)产生较(jiao)大的转换值。当信(xin)(xin)号(hao)接近 5V 时就(jiu)会出现(xian)危险(xian)。所(suo)以(yi)，需要控制电压(ya)(ya)越限的方法，同时不影响正(zheng)常范围中的电压(ya)(ya)。这里(li)将(jiang)讨论三种(zhong)实现(xian)方法。

1. 使用二(er)极管，钳位过电压(ya)至 3.3V 供电系(xi)统。

2. 使用齐(qi)纳二极(ji)管(guan)，把电(dian)压(ya)钳位(wei)至任何期(qi)望(wang)的(de)电(dian)压(ya)限。

3. 使用(yong)带(dai)二极(ji)管的运算放大(da)器(qi)，进行精确钳位。

进行(xing)过(guo)电(dian)(dian)(dian)压钳位(wei)(wei)的(de)(de)最简单的(de)(de)方法，与(yu)将 5V 数字信号连接至 3.3V 数字信号的(de)(de)简单方法完全相同。使用(yong)电(dian)(dian)(dian)阻(zu)和(he)二(er)(er)极管(guan)(guan)，使过(guo)量电(dian)(dian)(dian)流流入 3.3V 电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)。选(xuan)用(yong)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)阻(zu)值必须能够(gou)保护二(er)(er)极管(guan)(guan)和(he) 3.3V 电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)，同时还不会对模拟性(xing)能造成负面影响。如果(guo) 3.3V 电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)阻(zu)抗(kang)太低(di)，那么这种(zhong)类型(xing)的(de)(de)钳位(wei)(wei)可能致使3.3V 电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)电(dian)(dian)(dian)压上升。即使 3.3V 电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)有很(hen)好的(de)(de)低(di)阻(zu)抗(kang)，当二(er)(er)极管(guan)(guan)导通时，以(yi)及(ji)在频(pin)率足够(gou)高的(de)(de)情(qing)况下，当二(er)(er)极管(guan)(guan)没(mei)有导通时 （由于有跨越二(er)(er)极管(guan)(guan)的(de)(de)寄生电(dian)(dian)(dian)容），此(ci)类钳位(wei)(wei)都将使输(shu)入信号向(xiang) 3.3V 电(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)施加噪(zao)声(sheng)。

为(wei)了防止输(shu)入信号对电源造成影(ying)响(xiang)，或者为(wei)了使(shi)输(shu)入应对较大(da)的(de)瞬态电流时(shi)更为(wei)从容，对前述方法(fa)稍加变化，改用齐纳二(er)极(ji)(ji)(ji)管(guan)。齐纳二(er)极(ji)(ji)(ji)管(guan)的(de)速(su)度通常要比第一个电路中所(suo)使(shi)用的(de)快速(su)信号二(er)极(ji)(ji)(ji)管(guan)慢。不过，齐纳钳位(wei)(wei)一般(ban)来说更为(wei)结实，钳位(wei)(wei)时(shi)不依(yi)赖于电源的(de)特性参(can)数。钳位(wei)(wei)的(de)大(da)小取决于流经二(er)极(ji)(ji)(ji)管(guan)的(de)电流。这由 R1 的(de)值(zhi)决定。如果 VIN 源的(de)输(shu)出阻抗(kang)足(zu)够大(da)的(de)话，也可不需要 R1。

如(ru)果需要不依赖于电源的(de)更(geng)为精(jing)(jing)确的(de)过电压(ya)(ya)钳位(wei)，可(ke)以使(shi)用运(yun)放来得(de)到(dao)精(jing)(jing)密二(er)极管。电路(lu)如(ru)图 17-3所示。运(yun)放补偿了二(er)极管的(de)正向(xiang)压(ya)(ya)降，使(shi)得(de)电压(ya)(ya)正好被(bei)钳位(wei)在运(yun)放的(de)同相输入端电源电压(ya)(ya)上。如(ru)果运(yun)放是轨(gui)到(dao)轨(gui)的(de)话，可(ke)以用 3.3V 供电。

由(you)于钳位是通(tong)过运放来进行(xing)的，不会影响到(dao)电源。

运(yun)放不能改善低电压电路中出现(xian)的(de)阻抗(kang)(kang)，阻抗(kang)(kang)仍为R1 加上源电路阻抗(kang)(kang)。

技巧十八：驱动双极型晶体管

在(zai)驱(qu)动(dong)双极(ji)(ji)型(xing)晶体管时，基(ji)极(ji)(ji) “驱(qu)动(dong)”电(dian)流(liu)和正向电(dian)流(liu)增(zeng)益 （Β/hFE）将决定晶体管将吸纳多少电(dian)流(liu)。如果(guo)晶体管被单片机 I/O 端(duan)口驱(qu)动(dong)，使(shi)用端(duan)口电(dian)压(ya)和端(duan)口电(dian)流(liu)上限(xian) （典(dian)型(xing)值 20 mA）来(lai)计算基(ji)极(ji)(ji)驱(qu)动(dong)电(dian)流(liu)。如果(guo)使(shi)用的是 3.3V 技术，应(ying)改用阻(zu)值较小的基(ji)极(ji)(ji)电(dian)流(liu)限(xian)流(liu)电(dian)阻(zu)，以确保有足(zu)够的基(ji)极(ji)(ji)驱(qu)动(dong)电(dian)流(liu)使(shi)晶体管饱和。

RBASE的值取决于单片机电源电压(ya)。公(gong)式18-1 说明了如何计算 RBASE。

如果(guo)将双极型晶(jing)体(ti)管(guan)用作开(kai)关(guan)，开(kai)启或关(guan)闭由单片机 I/O 端(duan)口引(yin)脚(jiao)控制的(de)负(fu)载，应使(shi)用最小的(de) hFE规范和(he)裕度(du)，以确保(bao)器件完全饱和(he)。

3V 技术示(shi)例：

对于(yu)这(zhei)两个示例，提高(gao)(gao)基极电流留(liu)出裕度(du)是不(bu)错的做(zuo)法。将(jiang) 1mA 的基极电流驱动至 2 mA 能确保饱和，但代(dai)价是提高(gao)(gao)了(le)输入功耗。

技巧十九：驱动N沟道MOSFET晶体管

在(zai)选(xuan)择(ze)与(yu) 3.3V 单片机(ji)配合(he)使用(yong)的(de)外部 N 沟道MOSFET 时(shi)(shi)，一定要(yao)小(xiao)心。MOSFET 栅(zha)(zha)极阈(yu)值(zhi)电压表明了器件完全饱和的(de)能(neng)(neng)力。对于(yu) 3.3V 应用(yong)，所(suo)(suo)选(xuan) MOSFET 的(de)额(e)定导通电阻应针对 3V 或更(geng)小(xiao)的(de)栅(zha)(zha)极驱动(dong)电压。例(li)如(ru)，对于(yu)具有(you) 3.3V 驱动(dong)的(de)100 mA负(fu)载(zai)，额(e)定漏极电流(liu)为(wei)250 μA的(de)FET在(zai)栅(zha)(zha)极 - 源极施(shi)加 1V 电压时(shi)(shi)，不(bu)一定能(neng)(neng)提供(gong)满意的(de)结果。在(zai)从 5V 转换(huan)到 3V 技(ji)术时(shi)(shi)，应仔细检(jian)查栅(zha)(zha)极- 源极阈(yu)值(zhi)和导通电阻特性参数(shu)，如(ru)图 19-1所(suo)(suo)示。稍(shao)微减少栅(zha)(zha)极驱动(dong)电压，可(ke)以显著减小(xiao)漏电流(liu)。

对于(yu) MOSFET，低阈值器(qi)件(jian)较(jiao)为常见，其漏－源(yuan)电(dian)压额定值低于(yu) 30V。漏－源(yuan)额定电(dian)压大(da)于(yu) 30V的(de)(de) MOSFET，通常具有更高的(de)(de)阈值电(dian)压 （VT）。

如表 19-1 所示，此(ci) 30V N 沟道 MOSFET 开关的阈(yu)值电(dian)(dian)压是 0.6V。栅(zha)极施(shi)加 2.8V 的电(dian)(dian)压时(shi)，此(ci)MOSFET 的额定电(dian)(dian)阻是 35 mΩ，因此(ci)，它非常(chang)适(shi)用(yong)于 3.3V 应(ying)用(yong)。

对于(yu)(yu) 7201 数据手册(ce)中(zhong)的(de)规范，栅(zha)极(ji)阈值(zhi)(zhi)电(dian)压(ya)最小值(zhi)(zhi)规定为 1.0V。这并不(bu)意(yi)味(wei)着器(qi)件可以(yi)用(yong)来在1.0V 栅(zha) - 源电(dian)压(ya)时开关电(dian)流，因为对于(yu)(yu)低于(yu)(yu) 4.5V 的(de)VGS （th），没有(you)说(shuo)明(ming)规范。对于(yu)(yu)需要低开关电(dian)阻(zu)的(de) 3.3V 驱动的(de)应用(yong)，不(bu)建议使用(yong) IRF7201，但(dan)它可以(yi)用(yong)于(yu)(yu) 5V 驱动应用(yong)。

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