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最简易(yi)的5v转3.3v电路

使用LDO稳(wen)压器(qi)，从5V电源向3.3V系统供电

标准三端线性稳(wen)压器的(de)压差通常是 2.0-3.0V。要把 5V 可(ke)靠地转(zhuan)换为 3.3V，就(jiu)不能使(shi)用它们。压差为几百个毫伏的(de)低压降(jiang) （Low Dropout， LDO）稳(wen)压器，是此类应用的(de)理想选(xuan)择。图 1-1 是基(ji)本(ben)LDO 系统的(de)框图，标注了相应的(de)电流(liu)。从图中可(ke)以看出， LDO 由(you)四个主要部分组成(cheng)：

1. 导通晶体(ti)管(guan)

2. 带隙(xi)参考源

3. 运(yun)算放大器

4. 反馈电阻分压(ya)器

在选(xuan)择 LDO 时，重(zhong)要的(de)是(shi)要知道如何(he)区分各(ge)种LDO。器件(jian)的(de)静态电流、封装大小和(he)型号是(shi)重(zhong)要的(de)器件(jian)参数。根(gen)据具体应用来(lai)确定各(ge)种参数，将会得到最优的(de)设计。

LDO的静态(tai)电(dian)(dian)(dian)流(liu)IQ是(shi)器(qi)件空载工作时器(qi)件的接地电(dian)(dian)(dian)流(liu) IGND。 IGND 是(shi) LDO 用来进(jin)行稳压的电(dian)(dian)(dian)流(liu)。当IOUT>>IQ 时， LDO 的效率可用输出(chu)电(dian)(dian)(dian)压除以(yi)输入(ru)电(dian)(dian)(dian)压来近(jin)似地得到。然而，轻载时，必须将 IQ 计(ji)入(ru)效率计(ji)算中(zhong)。具有较低 IQ 的 LDO 其轻载效率较高(gao)(gao)。轻载效率的提高(gao)(gao)对于 LDO 性能有负面影响。静态(tai)电(dian)(dian)(dian)流(liu)较高(gao)(gao)的 LDO 对于线路和负载的突然变化有更快的响应。

技巧二：采用齐纳二极管的低成本供电系统

这里(li)详细(xi)说明了一(yi)个采(cai)用(yong)齐纳二(er)极管(guan)的低成本(ben)稳压(ya)器方案(an)。

可以用齐(qi)(qi)纳(na)二极(ji)管(guan)和(he)电阻做成(cheng)简单的(de)低成(cheng)本 3.3V稳压器(qi)(qi)，如(ru)图 2-1 所示。在(zai)很(hen)多(duo)应用中，该电路可以替代 LDO 稳压器(qi)(qi)并具成(cheng)本效(xiao)益。但是，这种稳压器(qi)(qi)对负载敏感的(de)程(cheng)度要高于(yu) LDO 稳压器(qi)(qi)。另外(wai)，它的(de)能效(xiao)较低，因为 R1 和(he) D1 始终有功耗。R1 限制流入D1 和(he) PICmicro? MCU的(de)电流，从(cong)而(er)使(shi)VDD 保持在(zai)允许范围内。由于(yu)流经齐(qi)(qi)纳(na)二极(ji)管(guan)的(de)电流变化时(shi)，二极(ji)管(guan)的(de)反向电压也(ye)将(jiang)发生改变，所以需要仔(zi)细考(kao)虑 R1 的(de)值(zhi)。

R1 的(de)选(xuan)择依据(ju)是(shi)：在最(zui)(zui)大(da)负载时——通(tong)常是(shi)在PICmicro MCU 运行且驱(qu)动(dong)其输(shu)出为高电(dian)(dian)平时——R1上的(de)电(dian)(dian)压(ya)降要足够低从而使(shi)PICmicro MCU有足以维持工作所需的(de)电(dian)(dian)压(ya)。同时，在最(zui)(zui)小负载时——通(tong)常是(shi) PICmicro MCU 复位时——VDD 不超过齐纳二极管的(de)额定功率，也不超过 PICmicro MCU的(de)最(zui)(zui)大(da) 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(xi)说明(ming)了一个采用 3 个整流二(er)极管(guan)的更(geng)低成本稳压(ya)器(qi)方(fang)案。

我们(men)也可以把几个常规开(kai)关二极(ji)(ji)管(guan)串联(lian)起来(lai)，用其(qi)正向压降来(lai)降低进入的 PICmicro MCU 的电压。这甚(shen)至比齐(qi)纳二极(ji)(ji)管(guan)稳压器的成本还要低。这种(zhong)设计的电流消耗(hao)通常要比使用齐(qi)纳二极(ji)(ji)管(guan)的电路低。

所需二(er)(er)极(ji)管的(de)(de)(de)(de)(de)数量根据(ju)所选(xuan)用(yong)二(er)(er)极(ji)管的(de)(de)(de)(de)(de)正(zheng)向电(dian)压(ya)而变化(hua)。二(er)(er)极(ji)管 D1-D3 的(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)压(ya)降(jiang)是(shi)(shi)流(liu)经这些(xie)二(er)(er)极(ji)管的(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)流(liu)的(de)(de)(de)(de)(de)函数。连接 R1 是(shi)(shi)为(wei)了(le)避免在负载最小(xiao)时——通(tong)常是(shi)(shi) PICmicro MCU 处(chu)于(yu)复位或休眠(mian)状(zhuang)态时——PICmicro MCU VDD 引(yin)脚上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)压(ya)超(chao)过PICmicro MCU 的(de)(de)(de)(de)(de)最大 VDD 值。根据(ju)其他连接至VDD 的(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)路，可以提高(gao)R1 的(de)(de)(de)(de)(de)阻值，甚至也可能完全不(bu)需要(yao) R1。二(er)(er)极(ji)管 D1-D3 的(de)(de)(de)(de)(de)选(xuan)择(ze)依据(ju)是(shi)(shi)：在最大负载时——通(tong)常是(shi)(shi) PICmicro MCU 运行且(qie)驱动其输出为(wei)高(gao)电(dian)平时——D1-D3 上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)压(ya)降(jiang)要(yao)足够(gou)低(di)从而能够(gou)满(man)足 PICmicro MCU 的(de)(de)(de)(de)(de)最低(di) VDD 要(yao)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)开关稳压(ya)器(qi)是(shi)一种基于(yu)电感的转换器(qi)，用(yong)来把输(shu)入(ru)电压(ya)源(yuan)(yuan)降低(di)(di)至幅值较(jiao)(jiao)低(di)(di)的输(shu)出(chu)电压(ya)。输(shu)出(chu)稳压(ya)是(shi)通(tong)过(guo)控(kong)制 MOSFET Q1 的导通(tong)（ON）时间来实现的。由(you)于(yu) MOSFET 要么处(chu)于(yu)低(di)(di)阻状态，要么处(chu)于(yu)高(gao)阻状态（分别为 ON 和OFF），因此高(gao)输(shu)入(ru)源(yuan)(yuan)电压(ya)能(neng)够(gou)高(gao)效率地转换成较(jiao)(jiao)低(di)(di)的输(shu)出(chu)电压(ya)。

当 Q1 在这(zhei)两种(zhong)状态期间(jian)时，通过平衡电感的电压(ya)- 时间(jian)，可以建(jian)立输(shu)入和输(shu)出电压(ya)之间(jian)的关系。

对(dui)于(yu) MOSFET Q1，有下式：

在选(xuan)择电(dian)(dian)感(gan)的(de)值时，使(shi)电(dian)(dian)感(gan)的(de)最大(da)峰(feng) - 峰(feng)纹(wen)波电(dian)(dian)流等于最大(da)负载(zai)电(dian)(dian)流的(de)百分之十的(de)电(dian)(dian)感(gan)值，是个很好的(de)初始选(xuan)择。

在(zai)选择输出电(dian)(dian)容值(zhi)时，好的(de)初值(zhi)是(shi)：使 LC 滤(lv)波器特性阻抗等(deng)于(yu)负载(zai)电(dian)(dian)阻。这样(yang)在(zai)满(man)载(zai)工作期间如果(guo)突然卸掉(diao)负载(zai)，电(dian)(dian)压过冲能处于(yu)可接受范(fan)围之内。

在选择(ze)二极管 D1 时，应选择(ze)额(e)定(ding)电(dian)流足够(gou)大(da)的元件(jian)，使之能(neng)够(gou)承受脉冲周(zhou)期(qi) （IL）放(fang)电(dian)期(qi)间的电(dian)感电(dian)流。

数(shu)字连接

在(zai)连接两个工作电(dian)压不同(tong)的(de)(de)器件时，必须要知道其各(ge)自的(de)(de)输(shu)(shu)出、输(shu)(shu)入阈(yu)值。知道阈(yu)值之后，可根据应用的(de)(de)其他(ta)需求选择器件的(de)(de)连接方法(fa)。表 4-1 是本文档所使(shi)用的(de)(de)输(shu)(shu)出、输(shu)(shu)入阈(yu)值。在(zai)设计连接时，请务必参(can)考制造商(shang)的(de)(de)数(shu)据手册(ce)以获得(de)实际(ji)的(de)(de)阈(yu)值电(dian)平(ping)。

技巧五：3.3V →5V直接连接

将(jiang) 3.3V 输出连接(jie)到 5V 输入最(zui)简单、最(zui)理想的方法是直接(jie)连接(jie)。直接(jie)连接(jie)需要满足以下(xia) 2 点要求：

3.3V输出的(de) VOH 大于 5V 输入的(de) VIH

3.3V输出的(de) VOL 小于(yu) 5V 输入的(de) VIL

能(neng)够(gou)使(shi)用这种方(fang)法的例子之一(yi)是将 3.3V LVCMOS输(shu)出(chu)连(lian)接到 5V TTL 输(shu)入。从表(biao) 4-1 中所(suo)给出(chu)的值可以(yi)清楚地看到上述(shu)要(yao)求均(jun)满(man)足。

3.3V LVCMOS 的 VOH （3.0V）大于5V TTL 的VIH （2.0V）

且

3.3V LVCMOS 的(de) VOL （0.5V）小(xiao)于(yu) 5V TTL 的(de)VIL （0.8V）。

如(ru)果这两个要求得不(bu)到满足(zu)，连接两个部(bu)分时就需要额外的电(dian)路。可能的解决方案请参阅(yue)技巧 6、7、 8 和 13。

技巧六：3.3V→5V使用MOSFET转换器

如果 5V 输入(ru)的(de) VIH 比(bi) 3.3V CMOS 器件的(de) VOH 要高，则驱动任何这样的(de) 5V 输入(ru)就(jiu)需要额外的(de)电路。图(tu) 6-1 所示为低成本的(de)双元件解决方案(an)。

在选(xuan)择 R1 的(de)(de)阻值(zhi)时，需要考虑(lv)两(liang)个(ge)参数(shu)，即：输(shu)入(ru)(ru)(ru)的(de)(de)开(kai)关(guan)速度和 R1 上的(de)(de)电(dian)(dian)流消耗。当(dang)把输(shu)入(ru)(ru)(ru)从 0切换到 1 时，需要计(ji)入(ru)(ru)(ru)因 R1 形成(cheng)的(de)(de) RC 时间(jian)常(chang)数(shu)而导致的(de)(de)输(shu)入(ru)(ru)(ru)上升时间(jian)、 5V 输(shu)入(ru)(ru)(ru)的(de)(de)输(shu)入(ru)(ru)(ru)容(rong)抗以及电(dian)(dian)路(lu)板(ban)上任何的(de)(de)杂散(san)电(dian)(dian)容(rong)。输(shu)入(ru)(ru)(ru)开(kai)关(guan)速度可通过下式计(ji)算：

由于输(shu)入容(rong)抗和电路板上(shang)的(de)(de)(de)(de)杂散电容(rong)是(shi)固定的(de)(de)(de)(de)，提高(gao)输(shu)入开关(guan)速(su)度(du)的(de)(de)(de)(de)惟一途径是(shi)降低 R1 的(de)(de)(de)(de)阻值(zhi)(zhi)。而(er)降低 R1 阻值(zhi)(zhi)以获(huo)取更(geng)短的(de)(de)(de)(de)开关(guan)时间，却是(shi)以增大(da)5V 输(shu)入为(wei)低电平(ping)时的(de)(de)(de)(de)电流消耗为(wei)代价(jia)的(de)(de)(de)(de)。通(tong)常，切换(huan)(huan)到(dao) 0 要(yao)比切换(huan)(huan)到(dao) 1 的(de)(de)(de)(de)速(su)度(du)快得多(duo)，因为(wei) N 沟道(dao) MOSFET 的(de)(de)(de)(de)导(dao)通(tong)电阻要(yao)远小于 R1。另(ling)外，在选择 N 沟道(dao) FET 时，所选 FET 的(de)(de)(de)(de)VGS 应低于3.3V 输(shu)出的(de)(de)(de)(de) VOH。

技巧七：3.3V→5V使用二极管补偿

表(biao) 7-1 列出了 5V CMOS 的输入电压阈值(zhi)、 3.3VLVTTL 和(he) LVCMOS 的输出驱动(dong)电压。

从上表看出(chu)， 5V CMOS 输(shu)入的(de)(de)高、低(di)输(shu)入电(dian)压(ya)(ya)阈值(zhi)均比(bi) 3.3V 输(shu)出(chu)的(de)(de)阈值(zhi)高约一伏。因此(ci)，即(ji)使来自(zi) 3.3V 系统的(de)(de)输(shu)出(chu)能够(gou)被补偿(chang)，留给噪声(sheng)或元件容差(cha)的(de)(de)余地也很小或者(zhe)没有。我们(men)需要的(de)(de)是能够(gou)补偿(chang)输(shu)出(chu)并加(jia)大高低(di)输(shu)出(chu)电(dian)压(ya)(ya)差(cha)的(de)(de)电(dian)路。

输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)电压规范确定后(hou)，就(jiu)已经假定：高(gao)输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)驱动(dong)的(de)是(shi)输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)和(he)地之间(jian)的(de)负(fu)载(zai)，而低输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)驱动(dong)的(de)是(shi) 3.3V和(he)输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)之间(jian)的(de)负(fu)载(zai)。如果高(gao)电压阈(yu)值(zhi)的(de)负(fu)载(zai)实际上(shang)(shang)是(shi)在输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)和(he) 3.3V 之间(jian)的(de)话，那(nei)么输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)电压实际上(shang)(shang)要高(gao)得多，因为拉高(gao)输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)的(de)机制是(shi)负(fu)载(zai)电阻(zu)，而不是(shi)输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)三极管。

如果我们设计一(yi)个二极(ji)(ji)管补(bu)偿电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路 （见图(tu) 7-1），二极(ji)(ji)管 D1 的(de)(de)正向电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya) （典型值 0.7V）将会使(shi)输出低(di)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)上升，在(zai) 5V CMOS 输入得(de)到 1.1V 至1.2V 的(de)(de)低(di)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)。它安全地处于(yu) 5V CMOS 输入的(de)(de)低(di)输入电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)阈值之(zhi)下。输出高(gao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)由上拉电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻和连(lian)至3.3V 电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源的(de)(de)二极(ji)(ji)管 D2 确定。这使(shi)得(de)输出高(gao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)大(da)约比 3.3V 电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源高(gao) 0.7V，也就是 4.0 到 4.1V，很安全地在(zai) 5V CMOS 输入阈值 （3.5V）之(zhi)上。

注： 为了使电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)工作正常，上(shang)拉电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)必须显著小于 5V CMOS 输(shu)(shu)入的(de)输(shu)(shu)入电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)，从而(er)避免由于输(shu)(shu)入端电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)分(fen)压器效应而(er)导致的(de)输(shu)(shu)出(chu)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压下降(jiang)。上(shang)拉电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)还必须足够大，从而(er)确保加载在 3.3V 输(shu)(shu)出(chu)上(shang)的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)在器件规(gui)范之内。

技巧八：3.3V→5V使用电压比较器

比(bi)较器的基本工作(zuo)如下：

反相 （-）输入电(dian)压大于同相 （+）输入电(dian)压时，比较器(qi)输出切换到 Vss。

同相 （+）输(shu)(shu)入端电(dian)(dian)压大于反相 （-）输(shu)(shu)入电(dian)(dian)压时(shi)，比较器输(shu)(shu)出为高电(dian)(dian)平(ping)。

为了保持 3.3V 输(shu)出(chu)的极性， 3.3V 输(shu)出(chu)必须连接(jie)到比较器的同(tong)相输(shu)入(ru)端。比较器的反(fan)相输(shu)入(ru)连接(jie)到由 R1 和 R2 确定的参(can)考电压处，如(ru)图(tu) 8-1 所(suo)示。

计算 R1 和 R2

R1 和 R2 之比取决于输入信号的逻辑电(dian)平。对于3.3V 输出(chu)，反相电(dian)压(ya)应该置于VOL 与VOH之间(jian)的中点电(dian)压(ya)。对于 LVCMOS 输出(chu)，中点电(dian)压(ya)为：

如果(guo) R1 和 R2 的逻辑电(dian)平关系如下，

若 R2 取值为 1K，则 R1 为 1.8K。

经过适(shi)当连接后的(de)运(yun)算放大器可(ke)以用(yong)作比较器，以将 3.3V 输(shu)(shu)入信(xin)号(hao)转换为(wei) 5V 输(shu)(shu)出(chu)信(xin)号(hao)。这(zhei)是(shi)利用(yong)了比较器的(de)特(te)性，即：根据 “反相”输(shu)(shu)入与 “同相”输(shu)(shu)入之间(jian)的(de)压差幅(fu)值，比较器迫使输(shu)(shu)出(chu)为(wei)高（VDD）或低 （Vss）电平。

注： 要使运算放大器在 5V 供电下正常工作，输出必须具有轨到轨驱(qu)动能力。

技巧九：5V→3.3V直接连接

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

当 5V 输(shu)(shu)出(chu)驱动(dong)为低时，不会有(you)问题(ti)，因为 0.4 伏(fu)的输(shu)(shu)出(chu)小(xiao)于 0.8 伏(fu)的输(shu)(shu)入(ru)阈值。当 5V 输(shu)(shu)出(chu)为高时， 4.7 伏(fu)的 VOH 大于 2.1 伏(fu) VIH，所以，我们(men)可(ke)以直接把两个引(yin)脚相连，不会有(you)冲(chong)突，前提(ti)是3.3V CMOS 输(shu)(shu)出(chu)能够(gou)耐(nai)受 5 伏(fu)电压。

如(ru)果 3.3V CMOS 输入不(bu)能耐受 5 伏电(dian)压，则(ze)将出现问题，因为超出了(le)输入的最大(da)电(dian)压规范(fan)。可(ke)能的解决方案请参(can)见技巧 10-13。

技巧十：5V→3.3V使用二极管钳位

很(hen)多厂商都(dou)使(shi)用(yong)(yong)钳(qian)(qian)位(wei)二(er)(er)极管来保护(hu)(hu)器件的(de)(de)(de) I/O 引脚(jiao)，防止引脚(jiao)上(shang)(shang)(shang)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)压(ya)(ya)超(chao)(chao)过(guo)最大(da)允许电(dian)(dian)压(ya)(ya)规范(fan)。钳(qian)(qian)位(wei)二(er)(er)极管使(shi)引脚(jiao)上(shang)(shang)(shang)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)压(ya)(ya)不会(hui)低于 Vss 超(chao)(chao)过(guo)一(yi)个二(er)(er)极管压(ya)(ya)降，也(ye)不会(hui)高(gao)于 VDD 超(chao)(chao)过(guo)一(yi)个二(er)(er)极管压(ya)(ya)降。要(yao)使(shi)用(yong)(yong)钳(qian)(qian)位(wei)二(er)(er)极管来保护(hu)(hu)输(shu)入，仍然要(yao)关(guan)注流(liu)(liu)经钳(qian)(qian)位(wei)二(er)(er)极管的(de)(de)(de)电(dian)(dian)流(liu)(liu)。流(liu)(liu)经钳(qian)(qian)位(wei)二(er)(er)极管的(de)(de)(de)电(dian)(dian)流(liu)(liu)应该始终(zhong)比(bi)较小 （在微安数(shu)量级上(shang)(shang)(shang)）。如果流(liu)(liu)经钳(qian)(qian)位(wei)二(er)(er)极管的(de)(de)(de)电(dian)(dian)流(liu)(liu)过(guo)大(da)，就(jiu)存在部件闭锁的(de)(de)(de)危(wei)险。由于5V 输(shu)出的(de)(de)(de)源电(dian)(dian)阻通常(chang)在 10Ω 左(zuo)右，因此仍需串联一(yi)个电(dian)(dian)阻，限制(zhi)流(liu)(liu)经钳(qian)(qian)位(wei)二(er)(er)极管的(de)(de)(de)电(dian)(dian)流(liu)(liu)，如图 10-1所示(shi)。使(shi)用(yong)(yong)串联电(dian)(dian)阻的(de)(de)(de)后果是降低了输(shu)入开关(guan)的(de)(de)(de)速度，因为引脚(jiao) （CL）上(shang)(shang)(shang)构成了 RC 时(shi)间常(chang)数(shu)。

如果没有钳位二极(ji)管，可以在电流中添加一个外部二极(ji)管，如图(tu) 10-2 所示(shi)。

技巧十一：5V→3.3V有源钳位

使(shi)(shi)用二(er)极管(guan)钳位有一(yi)(yi)个问(wen)题，即它将向(xiang) 3.3V 电(dian)源注入(ru)电(dian)流(liu)。在具(ju)有高电(dian)流(liu) 5V 输出且(qie)轻载 3.3V 电(dian)源轨的设计(ji)中，这(zhei)种电(dian)流(liu)注入(ru)可(ke)能会(hui)使(shi)(shi) 3.3V 电(dian)源电(dian)压超(chao)过 3.3V。为了避免这(zhei)个问(wen)题，可(ke)以用一(yi)(yi)个三极管(guan)来替代，三极管(guan)使(shi)(shi)过量的输出驱(qu)动电(dian)流(liu)流(liu)向(xiang)地，而(er)不是(shi) 3.3V 电(dian)源。设计(ji)的电(dian)路如(ru)图 11-1 所示。

Q1的(de)基(ji)极-发射(she)极结所起的(de)作用(yong)与二(er)极管(guan)钳位电(dian)(dian)路中的(de)二(er)极管(guan)相(xiang)同。区别在于(yu)，发射(she)极电(dian)(dian)流只有百分之几流出基(ji)极进入 3.3V 轨，绝大部(bu)分电(dian)(dian)流都(dou)流向集电(dian)(dian)极，再从集电(dian)(dian)极无(wu)害地(di)流入地(di)。基(ji)极电(dian)(dian)流与集电(dian)(dian)极电(dian)(dian)流之比，由(you)晶体(ti)管(guan)的(de)电(dian)(dian)流增(zeng)益(yi)决定，通常为10-400，取(qu)决于(yu)所使用(yong)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(de)(de)电阻(zu)分压器(qi)将(jiang) 5V 器(qi)件的(de)(de)输出(chu)降低到适(shi)用于 3.3V 器(qi)件输入的(de)(de)电平(ping)。这种接(jie)口(kou)的(de)(de)等(deng)效(xiao)电路如(ru)图 12-1 所(suo)示。

通(tong)常(chang)，源(yuan)电阻 RS 非(fei)常(chang)小 （小于(yu)(yu)(yu) 10Ω），如(ru)果选择(ze)的(de)(de) R1 远大(da)于(yu)(yu)(yu)RS 的(de)(de)话，那么可以忽(hu)略 RS 对 R1 的(de)(de)影响。在接收(shou)端，负载(zai)电阻 RL 非(fei)常(chang)大(da) （大(da)于(yu)(yu)(yu)500 kΩ），如(ru)果选择(ze)的(de)(de)R2远小于(yu)(yu)(yu)RL的(de)(de)话，那么可以忽(hu)略 RL 对 R2 的(de)(de)影响。

在功(gong)耗(hao)和(he)(he)瞬态时(shi)(shi)间之(zhi)间存在取舍权衡。为(wei)了使接口电流(liu)的(de)功(gong)耗(hao)需求(qiu)最小(xiao)，串联电阻(zu) R1 和(he)(he) R2 应尽可(ke)能大。但是，负载电容(rong) （由(you)杂散电容(rong) CS 和(he)(he) 3.3V 器件的(de)输(shu)入电容(rong) CL 合成）可(ke)能会对(dui)输(shu)入信号(hao)的(de)上升(sheng)和(he)(he)下降(jiang)时(shi)(shi)间产生不利影响(xiang)。如(ru)果 R1 和(he)(he) R2 过大，上升(sheng)和(he)(he)下降(jiang)时(shi)(shi)间可(ke)能会过长(zhang)而无(wu)法接受。

如(ru)果(guo)忽略 RS 和 RL 的(de)影响，则(ze)确定 R1 和 R2 的(de)式子(zi)由下面的(de)公式 12-1 给出。

公(gong)式 12-2 给出了确定(ding)上升和下降时(shi)间的(de)公(gong)式。为(wei)(wei)(wei)(wei)便于电(dian)(dian)(dian)(dian)路分(fen)析，使用戴维(wei)宁(ning)等效(xiao)计(ji)算(suan)来确定(ding)外(wai)加电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya) VA 和串(chuan)联(lian)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)R。戴维(wei)宁(ning)等效(xiao)计(ji)算(suan)定(ding)义为(wei)(wei)(wei)(wei)开(kai)路电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)除以短(duan)路电(dian)(dian)(dian)(dian)流。根(gen)据(ju)公(gong)式 12-2 所施加的(de)限(xian)制，对(dui)于图 12-1 所示电(dian)(dian)(dian)(dian)路，确定(ding)的(de)戴维(wei)宁(ning)等效(xiao)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu) R 应(ying)为(wei)(wei)(wei)(wei) 0.66*R1，戴维(wei)宁(ning)等效(xiao)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya) VA 应(ying)为(wei)(wei)(wei)(wei)0.66*VS。

例如，假设有下列条件存(cun)在：

杂散电容 = 30 pF

负载电容 = 5 pF

从 0.3V 至(zhi) 3V 的最大上(shang)升(sheng)时间 ≤ 1 μs

外加(jia)源电压 Vs = 5V

确定最大(da)电(dian)阻的(de)计算(suan)如公(gong)式 12-3 所示(shi)。

技巧十三：3.3V→5V电平转换器

尽管电(dian)(dian)(dian)平(ping)转换(huan)可(ke)以分立地(di)进行(xing)，但(dan)通常使(shi)(shi)用集成解决方案(an)较(jiao)受欢迎。电(dian)(dian)(dian)平(ping)转换(huan)器(qi)的(de)使(shi)(shi)用范围(wei)比(bi)较(jiao)广泛：有单向和(he)双向配置、不同的(de)电(dian)(dian)(dian)压转换(huan)和(he)不同的(de)速(su)度，供(gong)用户选择(ze)最佳(jia)的(de)解决方案(an)。

器件之(zhi)间(jian)的板级(ji)通讯(xun) （例如， MCU 至外设(she)）通过 SPI 或 I2C? 来进(jin)行，这(zhei)是(shi)最常见的。对于(yu)SPI，使用单向(xiang)电平转换器比较合适；对于(yu) I2C，就需要使用双(shuang)向(xiang)解(jie)决方案(an)。下面的图 13-1 显(xian)示了这(zhei)两种(zhong)解(jie)决方案(an)。

模拟

3.3V 至 5V 接口(kou)的(de)最后一(yi)项(xiang)挑战是如何转换(huan)模拟(ni)信(xin)号(hao)(hao)，使之跨越电源(yuan)障(zhang)碍。低电平信(xin)号(hao)(hao)可能(neng)不需要外部(bu)电路(lu)，但在 3.3V 与(yu) 5V 之间传送信(xin)号(hao)(hao)的(de)系(xi)(xi)统(tong)则会受到电源(yuan)变化的(de)影响。例如，在 3.3V 系(xi)(xi)统(tong)中(zhong)，ADC转换(huan)1V峰值的(de)模拟(ni)信(xin)号(hao)(hao)，其分辨率要比5V系(xi)(xi)统(tong)中(zhong) ADC 转换(huan)的(de)高(gao)，这是因为在 3.3V ADC 中(zhong)，ADC 量(liang)程中(zhong)更(geng)多的(de)部(bu)分用于(yu)转换(huan)。但另一(yi)方面，3.3V 系(xi)(xi)统(tong)中(zhong)相对较高(gao)的(de)信(xin)号(hao)(hao)幅(fu)值，与(yu)系(xi)(xi)统(tong)较低的(de)共模电压限制可能(neng)会发(fa)生(sheng)冲突(tu)。

因此(ci)，为了(le)补(bu)偿上(shang)述差异，可能需要某种接(jie)口(kou)电(dian)路。本节将讨论接(jie)口(kou)电(dian)路，以帮助(zhu)缓和信号在不同电(dian)源(yuan)之间转换(huan)的问题。

技巧十四：3.3V→5V模拟增益模块

从(cong) 3.3V 电(dian)源连(lian)接(jie)至(zhi) 5V 时，需要(yao)提升模拟电(dian)压。33 kΩ 和 17kΩ 电(dian)阻设定了(le)运放(fang)的(de)增(zeng)益，从(cong)而(er)在两端均使用满(man)量程。11 kΩ 电(dian)阻限(xian)制了(le)流回(hui) 3.3V 电(dian)路的(de)电(dian)流。

技巧十五：3.3V→5V模拟补偿模块

该模块用于补(bu)偿 3.3V 转换到 5V 的(de)(de)(de)模拟电(dian)压(ya)。下面是将 3.3V 电(dian)源(yuan)(yuan)供电(dian)的(de)(de)(de)模拟电(dian)压(ya)转换为由 5V电(dian)源(yuan)(yuan)供电(dian)。右上(shang)方的(de)(de)(de) 147 kΩ、 30.1 kΩ 电(dian)阻以(yi)及(ji)(ji)+5V 电(dian)源(yuan)(yuan)，等(deng)效于串(chuan)联了(le) 25 kΩ 电(dian)阻的(de)(de)(de) 0.85V 电(dian)压(ya)源(yuan)(yuan)。这个等(deng)效的(de)(de)(de) 25 kΩ 电(dian)阻、三个 25 kΩ 电(dian)阻以(yi)及(ji)(ji)运放构成(cheng)了(le)增益为 1 V/V 的(de)(de)(de)差动放大器。 0.85V等(deng)效电(dian)压(ya)源(yuan)(yuan)将出现在输入端的(de)(de)(de)任何信号向(xiang)上(shang)平移相(xiang)同(tong)的(de)(de)(de)幅度；以(yi) 3.3V/2 = 1.65V 为中心的(de)(de)(de)信号将同(tong)时以(yi) 5.0V/2 = 2.50V 为中心。左上(shang)方的(de)(de)(de)电(dian)阻限制了(le)来自 5V 电(dian)路的(de)(de)(de)电(dian)流(liu)。

技巧十六：5V→3.3V有源模拟衰减

此(ci)技(ji)巧使用运算放大器衰减从 5V 至 3.3V 系(xi)统(tong)的信号幅值。

要将 5V 模拟(ni)信号(hao)转换为(wei) 3.3V 模拟(ni)信号(hao)，最简单的方法是使用 R1:R2 比值为(wei) 1.7:3.3 的电(dian)阻分(fen)压器。然(ran)而(er)，这种方法存在一些问题。

1）衰减器可能(neng)会(hui)接至容性负载，构成不期望得到的低通滤波器。

2）衰减器电路可能需要从高阻(zu)抗(kang)源驱动低阻(zu)抗(kang)负(fu)载。

无(wu)论是哪(na)种(zhong)情(qing)形，都需要运算(suan)放(fang)大器用以缓冲信号。

所需的运放电路是单位(wei)增益(yi)跟随器 （见图 16-1）。

电(dian)路(lu)输(shu)出电(dian)压与加在(zai)输(shu)入的(de)电(dian)压相(xiang)同。

为(wei)了把 5V 信号(hao)(hao)转换为(wei)较低的 3V 信号(hao)(hao)，我们只(zhi)要(yao)加上(shang)电阻衰减器(qi)即可。

如果电(dian)(dian)阻分压器位(wei)于(yu)单位(wei)增益跟随器之前(qian)，那么(me)将(jiang)为 3.3V 电(dian)(dian)路提供最(zui)低的(de)(de)阻抗。此外，运放可(ke)(ke)以(yi)从3.3V 供电(dian)(dian)，这(zhei)将(jiang)节省一些功耗。如果选择的(de)(de) X 非常大的(de)(de)话， 5V 侧(ce)的(de)(de)功耗可(ke)(ke)以(yi)最(zui)大限度地减小(xiao)。

如果衰减器(qi)位(wei)于(yu)单(dan)位(wei)增益跟随器(qi)之后(hou)，那么对 5V源而言就有最高的阻抗(kang)。运放必(bi)须从 5V 供电(dian)，3V 侧的阻抗(kang)将取决(jue)于(yu) R1||R2 的值。

技巧十七：5V→3.3V模拟限幅器

在将 5V 信(xin)号传送给 3.3V 系统时，有时可(ke)以将衰(shuai)减用作增益(yi)。如果期望的信(xin)号小于 5V，那么(me)把(ba)信(xin)号直接送入 3.3V ADC 将产生较大的转换值。当信(xin)号接近 5V 时就会出现危险。所以，需要控制电(dian)压越(yue)限的方法，同(tong)时不(bu)影响(xiang)正常范(fan)围(wei)中(zhong)的电(dian)压。这里将讨论三种实现方法。

1. 使用二(er)极管，钳位过电压(ya)至 3.3V 供电系统。

2. 使(shi)用齐(qi)纳二(er)极管(guan)，把电压(ya)钳(qian)位至任何期望的电压(ya)限。

3. 使(shi)用带二极管的运算放大器(qi)，进行精确钳位(wei)。

进(jin)行过(guo)电压钳位的(de)最简单的(de)方法，与将(jiang) 5V 数字(zi)信(xin)号(hao)连接至 3.3V 数字(zi)信(xin)号(hao)的(de)简单方法完(wan)全相同。使(shi)(shi)用电阻和二(er)极管，使(shi)(shi)过(guo)量电流流入 3.3V 电源。选用的(de)电阻值必须能够保护(hu)二(er)极管和 3.3V 电源，同时(shi)还不(bu)会对(dui)模拟性能造成负面影(ying)响。如果(guo) 3.3V 电源的(de)阻抗太低，那么这种类型的(de)钳位可能致使(shi)(shi)3.3V 电源电压上升。即使(shi)(shi) 3.3V 电源有(you)很好的(de)低阻抗，当二(er)极管导通时(shi)，以及在(zai)频率足够高的(de)情况(kuang)下，当二(er)极管没有(you)导通时(shi) （由于有(you)跨越二(er)极管的(de)寄生(sheng)电容），此类钳位都将(jiang)使(shi)(shi)输(shu)入信(xin)号(hao)向 3.3V 电源施(shi)加噪声。

为(wei)(wei)了防(fang)止输(shu)(shu)(shu)入(ru)信号(hao)对电(dian)源(yuan)造成影响，或者(zhe)为(wei)(wei)了使输(shu)(shu)(shu)入(ru)应对较大(da)的瞬态电(dian)流时更为(wei)(wei)从(cong)容，对前述方法稍加变化(hua)，改用齐(qi)纳(na)二(er)极(ji)(ji)管。齐(qi)纳(na)二(er)极(ji)(ji)管的速度通常(chang)要比(bi)第一个(ge)电(dian)路中所使用的快速信号(hao)二(er)极(ji)(ji)管慢。不过，齐(qi)纳(na)钳位(wei)一般(ban)来(lai)说更为(wei)(wei)结实，钳位(wei)时不依(yi)赖于电(dian)源(yuan)的特性(xing)参数。钳位(wei)的大(da)小(xiao)取决(jue)于流经二(er)极(ji)(ji)管的电(dian)流。这由 R1 的值(zhi)决(jue)定。如果 VIN 源(yuan)的输(shu)(shu)(shu)出阻抗足够(gou)大(da)的话，也可(ke)不需要 R1。

如果需要不依赖于(yu)电源(yuan)(yuan)的更为精(jing)(jing)确的过电压钳位(wei)，可(ke)以使(shi)用运(yun)放(fang)来得到精(jing)(jing)密二极管。电路如图(tu) 17-3所示。运(yun)放(fang)补偿了二极管的正(zheng)向压降(jiang)，使(shi)得电压正(zheng)好被钳位(wei)在(zai)运(yun)放(fang)的同相输入(ru)端电源(yuan)(yuan)电压上。如果运(yun)放(fang)是轨到轨的话，可(ke)以用 3.3V 供电。

由于钳位是通过运放来进行的，不会影(ying)响到电源。

运放不能改善低电压电路中出现的阻(zu)抗，阻(zu)抗仍为R1 加上源电路阻(zu)抗。

技巧十八：驱动双极型晶体管

在驱(qu)动(dong)(dong)双(shuang)极(ji)型晶(jing)体(ti)管时(shi)，基极(ji) “驱(qu)动(dong)(dong)”电流(liu)(liu)(liu)和正向电流(liu)(liu)(liu)增益 （Β/hFE）将(jiang)决定晶(jing)体(ti)管将(jiang)吸纳多少电流(liu)(liu)(liu)。如果晶(jing)体(ti)管被单(dan)片机 I/O 端(duan)(duan)口驱(qu)动(dong)(dong)，使(shi)用端(duan)(duan)口电压和端(duan)(duan)口电流(liu)(liu)(liu)上限 （典(dian)型值 20 mA）来计算基极(ji)驱(qu)动(dong)(dong)电流(liu)(liu)(liu)。如果使(shi)用的(de)是(shi) 3.3V 技术，应改用阻(zu)值较小(xiao)的(de)基极(ji)电流(liu)(liu)(liu)限流(liu)(liu)(liu)电阻(zu)，以确保有足够的(de)基极(ji)驱(qu)动(dong)(dong)电流(liu)(liu)(liu)使(shi)晶(jing)体(ti)管饱和。

RBASE的值取决于单(dan)片机电(dian)源电(dian)压。公式18-1 说明(ming)了(le)如何(he)计算(suan) RBASE。

如(ru)果将双极型晶体管(guan)用作(zuo)开关(guan)(guan)，开启(qi)或关(guan)(guan)闭(bi)由(you)单片机 I/O 端口引(yin)脚(jiao)控制的负载，应使用最小的 hFE规范(fan)和(he)裕度，以确保器件完全饱和(he)。

3V 技术示例：

对于(yu)这两个示例，提高(gao)基极(ji)电(dian)(dian)流(liu)留出裕度是不错的(de)做(zuo)法。将 1mA 的(de)基极(ji)电(dian)(dian)流(liu)驱动至 2 mA 能确(que)保饱和，但代价是提高(gao)了输入功耗。

技巧十九：驱动N沟道MOSFET晶体管

在选择与(yu) 3.3V 单片机配合使用(yong)(yong)的外(wai)部(bu) N 沟道(dao)MOSFET 时(shi)，一定要小心。MOSFET 栅(zha)极(ji)(ji)阈(yu)值电(dian)压表明了(le)器件(jian)完全饱和的能力。对(dui)于 3.3V 应用(yong)(yong)，所选 MOSFET 的额定导(dao)通(tong)电(dian)阻应针对(dui) 3V 或更(geng)小的栅(zha)极(ji)(ji)驱动电(dian)压。例如(ru)，对(dui)于具有 3.3V 驱动的100 mA负载(zai)，额定漏极(ji)(ji)电(dian)流(liu)为250 μA的FET在栅(zha)极(ji)(ji) - 源(yuan)极(ji)(ji)施加 1V 电(dian)压时(shi)，不一定能提(ti)供满意的结果。在从(cong) 5V 转换到(dao) 3V 技(ji)术时(shi)，应仔细检查栅(zha)极(ji)(ji)- 源(yuan)极(ji)(ji)阈(yu)值和导(dao)通(tong)电(dian)阻特性参数，如(ru)图(tu) 19-1所示。稍微(wei)减少栅(zha)极(ji)(ji)驱动电(dian)压，可以显(xian)著减小漏电(dian)流(liu)。

对(dui)于 MOSFET，低(di)阈值器(qi)件较为常见，其漏－源(yuan)电(dian)压额定值低(di)于 30V。漏－源(yuan)额定电(dian)压大于 30V的(de) MOSFET，通常具有更高的(de)阈值电(dian)压 （VT）。

如(ru)表 19-1 所示，此(ci) 30V N 沟道 MOSFET 开关的阈值电(dian)压是 0.6V。栅(zha)极施加(jia) 2.8V 的电(dian)压时，此(ci)MOSFET 的额定(ding)电(dian)阻是 35 mΩ，因此(ci)，它非(fei)常适用于 3.3V 应(ying)用。

对于 7201 数据手册(ce)中的规(gui)范(fan)(fan)，栅(zha)极阈(yu)值电压(ya)最(zui)小值规(gui)定(ding)为 1.0V。这并(bing)不意味着器件可以(yi)用(yong)(yong)来在1.0V 栅(zha) - 源电压(ya)时开(kai)关(guan)电流，因(yin)为对于低于 4.5V 的VGS （th），没(mei)有说明(ming)规(gui)范(fan)(fan)。对于需(xu)要低开(kai)关(guan)电阻的 3.3V 驱动的应用(yong)(yong)，不建议使用(yong)(yong) IRF7201，但它可以(yi)用(yong)(yong)于 5V 驱动应用(yong)(yong)。

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