六种电平转换的优缺点

作为一名电子设计的硬件工程师，电平转换是每个人都必须面对的的话题，主芯片引脚使用的1.2V、1.8V、3.3V等，连接外部接口芯片使用的1.8V、3.3V、5V等，由于电平不匹配就必须进行电平转换。每个工程师都有自己的一套转换方案，今天我们将5种电平转换的方法进行汇总，并且总结各种的优劣势，避免设计过程踩坑。

一、电平转换方法
5种电平转换方法分别是：

晶体管电平转换方法；
专用电平转换芯片；
限流电阻电平转换方法；
电阻分压电平转换方法；
二极管电平转换方法；
下面我们会从速率、驱动能力、漏电流、成本、通道数五个维度评价。
1、使用晶体管转换电平
如下图1，使用2个NPN三极管，将输入信号电平VL和转换为输出电平VH，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。
图1；晶体管进行电平转换
便宜：三极管容易常见并且容易采购，价格低廉（批量几分钱一个）。
驱动能力强：驱动能力取决于三极管，可以做到数十mA；
漏电流低：I、和OUT两者之间的漏电流较小（uA级别），几乎可以忽略不计。
劣势：
速度：两级三极管属于电流驱动型，加上电路和寄生电容，转换后的波形不是十分理想。一般只能用于100K以内的信号转换。
器件多：同相转换需要2个三极管以及配套的电阻，多路转换时占用空间较多。

2、使用专用电平芯片转换电平
如下图2，使用专用的电平转换芯片，分别给输入和输出信号提供不同的电压，转换由芯片内部完成，例如MCP2551/3221等电平转换芯片。专用芯片是最可靠的电平转换方案，5个优点里面占据了4个，除了成本。
图2；专用电平转换芯片

优势：

驱动能力强：专用芯片的输出一般都使用了CMOS工艺，输出驱动10mA不在话下。
漏电流几乎为0：内部是一些列的放大、比较器，输入阻抗非常高，一般都达到数百K。漏电流基本都是nA级别的。
路数较多：专用芯片针对不同的应用，从2路到数十路都有，十分适合对面积要求高的场合。
速率高：专用芯片由于集成度较高，工艺较高，，速率从数百K到数百M的频率都可以做。
劣势：
成本：专用芯片集众多优势于一身，就是成本是最大的劣势，一个普通的数百K速率的4通道电平转换芯片，价格至少要1元人民币以上，如果使用三极管做，成本2毛钱都不到。

3、使用电阻分压转换电平
如下图3，R2和R3构成分压，下图中Vgprs=3.3*5.6K/（1K+5.6K）=2.8V。GPRS模块的的TX由于在发送端，2.8V在右边的接收范围内，所以不需要分压，只需要增加一个电阻限流。

图3；电阻分压法电平转换

优势：

便宜：便宜是最大的优点，2个电阻一分钱不到；
容易实现：电阻采购容易，占用面积小。
劣势：
速度：分压法为了降低功耗，使用K级别以上的电阻，加上电路和器件的分布和寄生电容，速率很难上去，一般只能应用于100K以内的频率。
驱动能力：由于使用了大阻值的电阻，驱动能力被严格控制，并不适合需要高驱动能力的场合，例如LED灯等
漏电：漏电是该方案最大的缺点，由于通过电阻直连，左右两端的电压会流动，从而互相影响。例如，RS232接口采用该方案，上电瞬间外设就给主芯片提供2.8V的电平，轻则影响时序导致主芯片无法启动，重则导致主芯片闩锁效应，烧毁芯片。
4、使用电阻限流转换电平
有一些技高人胆大的工程师，有时候还会使用一个电阻限流的办法，实现两个不同电平之间的转换。具体的现实原理就是利用芯片的输入电流不超过某个值，例如74HC系列的芯片的输入电流值不能超过20mA，即可认为是安全的，如果是5V转3.3V，只要电阻＞（5-3.3V）/20mA=85Ω，选择一个1K的电阻，则认为是安全的。因为芯片内部是可以等效一个负载电阻RL，与R1构成分压的关系。

图4；电阻限流法电平转换

优势：

便宜：便宜是最大的优点，只需要一个电阻就解决。
容易实现：电阻采购容易，占用面积小。
劣势：
使用电阻限流法需要具备很高超的技术（作者自认为无法驾驭），不仅需要十分熟悉芯片内部的构成，而且还要考虑限流后的电压范围，最关键的是，出问题了以后还容易和芯片厂家扯皮，使用这类方案的工程师，胆是大了，技不一定高。
5、使用二极管钳位转换电平
有一些工程师还经常使用二极管钳位的方法进行电平转换，如下图左是3.3V转5V，当3.3V电平为高时，5V输出电压=3.3V+Vd=3.3+0.7≈4V，到达5V的高电平阈值，当3.3V电平输出为低时，5V电平输出电压约=Vd≈0.7V，在低电平阈值范围内。
如下图右是5V转3.3V，输入是高电平时，3.3Vout=3.3V+Vd≈4V，当5V电平输入为低电平时，3.3Vout=0V。
图5：3.3V转5V（左），5V转3.3V（右）
优势：
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。
容易实现：二极管、电阻采购容易，占用面积小。
劣势：
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。
单向防倒灌：只能单向防止倒灌，不能双向防止倒灌。
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。
所需器件较多。

二、使用DIALOG GREENPAK的芯片
DIALOG的GREENPAK芯片是一种可编程逻辑芯片，它功能强大，应用广泛，电平转换在GREENPAK中是非常简单的一种应用，任何双电压轨的GREENPAK芯片都可以非常简单的实现电平转化。例如SLG46826V （https://www.dialog-semiconductor.com/SLG46826-datasheet）

通常在系统级设计中，需要组合来自两个不同电平的信号，例如模拟电压轨工作在 5V，而数字电压轨工作在 3.3V。许多 GreenPAK 通过使用双电压轨来解决这个问题，来自不同电平的信号都可以输入到 GreenPAK，进行处理，然后从任意电压轨输出。当使用双电压轨的器件来开始进行一个设计的时候，需要下图所示的那样，分别输入 2 个电压轨的电压范围，两个电压轨的工作范围随不同器件而有所不同，但是 VDD 轨总是电压较高的轨。

三、总结
上述6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维度：

电平匹配：这个最重要，转换后的电平需要在对方承受的范围之内。
漏电流：两者之间不但电平要匹配，漏电流还不能互相影响，这个是最常犯的错。作者就见过，有工程师使用二极管电平转换做RS485输出，结果外部设备的漏电流过来影响自己设备的开机，而且自己的设备启动时输出一堆乱码，影响对方正常工作。
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。
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。
成本：成本这个因素交给产品经理考虑吧。
路数：太复杂的转换方案不适合多路数的情况，会占据板卡太多的面积。例如4bit的SD卡信号1.8V转3.3V，就不适合使用三极管方案。
GREENPAK的可编程逻辑芯片是近年慢慢进入中国的半导体市场，在各种各样的应用场景均可以找到它的应用，它是基于芯片平台的功能应用开发。

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一、电平转换方法
5种电平转换方法分别是：

晶体管电平转换方法；
专用电平转换芯片；
限流电阻电平转换方法；
电阻分压电平转换方法；
二极管电平转换方法；
下面我们会从速率、驱动能力、漏电流、成本、通道数五个维度评价。
1、使用晶体管转换电平
如下图1，使用2个NPN三极管，将输入信号电平VL和转换为输出电平VH，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。
图1；晶体管进行电平转换
便宜：三极管容易常见并且容易采购，价格低廉（批量几分钱一个）。
驱动能力强：驱动能力取决于三极管，可以做到数十mA；
漏电流低：I、和OUT两者之间的漏电流较小（uA级别），几乎可以忽略不计。
劣势：
速度：两级三极管属于电流驱动型，加上电路和寄生电容，转换后的波形不是十分理想。一般只能用于100K以内的信号转换。
器件多：同相转换需要2个三极管以及配套的电阻，多路转换时占用空间较多。

优势：

驱动能力强：专用芯片的输出一般都使用了CMOS工艺，输出驱动10mA不在话下。
漏电流几乎为0：内部是一些列的放大、比较器，输入阻抗非常高，一般都达到数百K。漏电流基本都是nA级别的。
路数较多：专用芯片针对不同的应用，从2路到数十路都有，十分适合对面积要求高的场合。
速率高：专用芯片由于集成度较高，工艺较高，，速率从数百K到数百M的频率都可以做。
劣势：
成本：专用芯片集众多优势于一身，就是成本是最大的劣势，一个普通的数百K速率的4通道电平转换芯片，价格至少要1元人民币以上，如果使用三极管做，成本2毛钱都不到。

图3；电阻分压法电平转换

优势：

便宜：便宜是最大的优点，2个电阻一分钱不到；
容易实现：电阻采购容易，占用面积小。
劣势：
速度：分压法为了降低功耗，使用K级别以上的电阻，加上电路和器件的分布和寄生电容，速率很难上去，一般只能应用于100K以内的频率。
驱动能力：由于使用了大阻值的电阻，驱动能力被严格控制，并不适合需要高驱动能力的场合，例如LED灯等
漏电：漏电是该方案最大的缺点，由于通过电阻直连，左右两端的电压会流动，从而互相影响。例如，RS232接口采用该方案，上电瞬间外设就给主芯片提供2.8V的电平，轻则影响时序导致主芯片无法启动，重则导致主芯片闩锁效应，烧毁芯片。
4、使用电阻限流转换电平
有一些技高人胆大的工程师，有时候还会使用一个电阻限流的办法，实现两个不同电平之间的转换。具体的现实原理就是利用芯片的输入电流不超过某个值，例如74HC系列的芯片的输入电流值不能超过20mA，即可认为是安全的，如果是5V转3.3V，只要电阻＞（5-3.3V）/20mA=85Ω，选择一个1K的电阻，则认为是安全的。因为芯片内部是可以等效一个负载电阻RL，与R1构成分压的关系。

图4；电阻限流法电平转换

优势：

便宜：便宜是最大的优点，只需要一个电阻就解决。
容易实现：电阻采购容易，占用面积小。
劣势：
使用电阻限流法需要具备很高超的技术（作者自认为无法驾驭），不仅需要十分熟悉芯片内部的构成，而且还要考虑限流后的电压范围，最关键的是，出问题了以后还容易和芯片厂家扯皮，使用这类方案的工程师，胆是大了，技不一定高。
5、使用二极管钳位转换电平
有一些工程师还经常使用二极管钳位的方法进行电平转换，如下图左是3.3V转5V，当3.3V电平为高时，5V输出电压=3.3V+Vd=3.3+0.7≈4V，到达5V的高电平阈值，当3.3V电平输出为低时，5V电平输出电压约=Vd≈0.7V，在低电平阈值范围内。
如下图右是5V转3.3V，输入是高电平时，3.3Vout=3.3V+Vd≈4V，当5V电平输入为低电平时，3.3Vout=0V。
图5：3.3V转5V（左），5V转3.3V（右）
优势：
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。
容易实现：二极管、电阻采购容易，占用面积小。
劣势：
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。
单向防倒灌：只能单向防止倒灌，不能双向防止倒灌。
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。
所需器件较多。

三、总结
上述6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维度：

电平匹配：这个最重要，转换后的电平需要在对方承受的范围之内。
漏电流：两者之间不但电平要匹配，漏电流还不能互相影响，这个是最常犯的错。作者就见过，有工程师使用二极管电平转换做RS485输出，结果外部设备的漏电流过来影响自己设备的开机，而且自己的设备启动时输出一堆乱码，影响对方正常工作。
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。
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。
成本：成本这个因素交给产品经理考虑吧。
路数：太复杂的转换方案不适合多路数的情况，会占据板卡太多的面积。例如4bit的SD卡信号1.8V转3.3V，就不适合使用三极管方案。
GREENPAK的可编程逻辑芯片是近年慢慢进入中国的半导体市场，在各种各样的应用场景均可以找到它的应用，它是基于芯片平台的功能应用开发。