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一 引言
電平及電源轉換電路是硬件設計中的常見電路，用于將一個電平/電源轉換為另一個不同電平/電源，確保外設之間可以正常通信和工作。
本文將介紹這些電路的設計要點，以及電平轉換電路和電源轉換電路的多種實現方法。
二 設計要點
在設計電平轉換或電源轉換電路時，需關注如下幾個要點：
1、輸入和輸出電壓要求：
在設計電路之前，首先要明確輸入和輸出信號的電壓要求：
輸入信號的電壓應該高于或等于電平轉換電路所接受的最低電壓；
輸出信號的電壓應該符合目標設備的耐受要求。
2、驅動能力及轉換速率：
在設計轉換電路時，需要考慮驅動能力需求以及轉換速度要求。
3、電路連接方式：
電平轉換電路可以采用幾種不同的連接方式，如單向電平轉換、雙向電平轉換或多路電平轉換等。
4、電路穩定性：
在設計電平轉換電路時，需要考慮電路的穩定性和抗干擾能力，以確保電路能夠正常運行并抵抗外部干擾。
5、功耗：
電平/電源轉換電路在轉換時會產生一定的功耗。
在設計過程中，尤其是對功耗要求很高的應用場景，要重點考慮轉換電路帶來的功耗，并采取相應措施，以確保電路滿足功耗指標要求。
6、成本：
在硬件電路設計中，成本始終是一個重要的考慮因素。在設計轉換電路時需要評估不同設計方案的成本，在成本和性能之間找到平衡點。
7、仿真和測試：
在完成轉換電路的設計后，進行仿真和測試是非常重要的步驟。通過仿真可以驗證電路的性能和穩定性，測試則可以確保電路在實際應用中能夠正常工作。
三 通訊信號電平轉換的幾種實現方法
以下是幾種常見的通訊信號電平轉換電路的實現方法：
1、MOS管電平轉換電路
MOS管搭建的電平轉換電路是雙向電平轉換，電路示例如下圖所示，其原理如下：
（1）信號自高壓向低壓（左側->右側）轉換時：
左側高電平時：MOS初始狀態為截止，右側輸出高電壓，MOS保持截止；
左側低電平時：右側通過MOS內的體二極管將輸出信號拉至低電平，而后MOS導通，右側保持輸出低電平；
（2）信號自右側->左側時：
右側高電平時：MOS截止，左側通過上拉電阻輸出高電平；
右側低電平時：MOS導通，左側輸出低電平；
圖：MOS管電平轉換電路
2、三極管電平轉換電路
三極管電平轉換電路也有多種實現方式。
（1）三極管電平轉換電路1
電路分析：
IN=3.3V時：三極管導通，OUT=低電平；
IN=低電平時：三極管截止，OUT=5V
此電路特點是只能實現單向電平轉換，且輸入和輸出電壓反相；
圖：三極管電平轉換電路1
（2）三極管電平轉換電路2
電路分析：
IN=高電平時：Q1三極管導通，Q2三極管截止，OUT=VDD_MCU即高電平；
IN=低電平時：Q1三極管截止，Q2三極管導通，OUT=低電平；
此電路特點是只能實現單向電平轉換，且輸入和輸出電壓同相；
圖：三極管電平轉換電路2
（3）三極管電平轉換電路3
電路分析：
IN即左側=1.8V時：三極管截止，OUT即右側=3.3V；
IN即左側=低電平時：?三極管導通，OUT即右側=低電平；
此電路特點是只能實現單向電平轉換，且輸入和輸出電壓同相，一般在串口通信場景上應用較多；
圖：三極管電平轉換電路3
綜合以上電路及分析，三極管電平轉換電路的優缺點也比較明顯：
優點：成本低，較為通用；
缺點：只可實現單向電平轉換，外圍器件比較多，且通信速率較低（<100Kbps）
3、電平轉換芯片
在一些對通信速率要求較高的應用場景，可以使用專用的電平轉換芯片。
電平轉換芯片的優點是：開關速率高、驅動能力強、漏電流低、外圍器件簡單、電路占用空間小；
電平轉換芯片的缺點是：成本高；
以國產的SGM4568芯片為例，這顆芯片最小封裝為3*3mm，有8個雙向電平轉換通道，每個通道的最高轉換速率可以達到100Mbps。
圖：電平轉換芯片框圖
4、二極管電平轉換電路
在高壓模塊輸出給低壓模塊時，可以選擇使用二極管完成低壓信號適配。
如下圖示例：
（1）二極管防反：
如下圖所示：
右側為高壓輸入端，左側為低壓輸出端。
當輸入端為高電平時，二極管截止，輸出端通過上拉電阻拉高；
當輸入端為低電平時，二極管導通。輸出端通過二極管拉低；
圖：低壓模塊內部無鉗位二極管
上述電路在串口電路上應用較多。
使用上述電路時，要重點關注二極管的正向導通壓降。避免低電平時二極管導通壓降過高導致低壓側不能正確識別低電平。
（2）二極管鉗位1：
圖：低壓模塊內部無鉗位二極管
（3）二極管鉗位2：
圖：低壓模塊內部有鉗位二極管
上述（2）和（3）兩種電路都需要在高壓模塊和低壓模塊直接添加一個串阻Rser，用于限制流經鉗位二極管的電流，避免二極管過流損壞；
二極管鉗位電路使用時有如下風險，要重點評估：
（1）由于鉗位二極管會向VDD注入電流，因而VDD電壓可能會被抬升；
（2）鉗位后電壓=VDD+二極管正向導通壓降，需關注低壓模塊能否耐受；
5、電阻分壓
如下圖所示，部分場景下可以使用電阻分壓的方式實現高壓電平到低壓電平的轉換。
為了減小串阻帶來的功耗，R1和R2取值應盡量大一些。
負載電容Cs會影響輸入信號的上升/下降時間。
圖：電阻分壓實現的電平轉換電路
電阻分壓電路優點：便宜，且容易實現；
電阻分壓電路缺點：始終有漏電流存在、驅動能力受限、開關速率受限；
6、信號直連
顧名思義，信號直連是指高壓信號和低壓信號直接連接。
直連方案一般不推薦，需謹慎使用。
信號直連可分兩種應用場景，使用時也需滿足相應條件：
（1）低壓端輸出信號直連至高壓端：
低壓端信號直接輸出給高壓端需滿足如下條件：
低壓端VOH>高壓端的高電平判定閾值；
低壓端的VOL<高壓端的低電平判定閾值；
（2）高壓端輸出信號直連至低壓端：
低壓端需保證能耐受高壓端的高電平信號方可直連。
四 電源轉換的幾種實現方法
以下是幾種常見的電源轉換電路的實現方法：
1、LDO實現電源降壓：
LDO是低壓差線性穩壓器，用于將輸入電源降低至預設輸出電壓并保持穩定。它可用來為各種類型的電路提供穩定的電源電壓。
LDO的基本原理如下：
基準電壓源：LDO內部有一個穩定的基準電壓源，通常是一個參考電壓源或者內部放大電路產生的。
差分放大器：輸入電壓與基準電壓之間進行差分比較，形成一個差動輸入信號。
誤差放大器）：差分放大器將差動輸入信號傳遞給誤差放大器，它會將輸入信號放大并產生一個誤差電壓輸出。
控制電路：誤差電壓輸出被傳遞給控制電路進行處理。
可調電阻網絡：控制電路會通過調整可調電阻網絡的輸出，控制輸出電壓的變化。
輸出級：調整后的電壓信號被輸入級級聯，形成最終的輸出電壓。
圖：LDO框架
LDO的優缺點如下：
（1）優點：
成本低；
紋波小；
靜態電流低；
外圍器件簡單；
（2）缺點：
電源效率為輸出電壓/輸入電壓。當輸入輸出壓差大時LDO效率低，發熱嚴重；
LDO只能降壓，不能升壓；
LDO驅動能力一般較小，只有幾百mA；
總體而言，LDO具有穩定性好、壓差小、負載調整小、噪聲低、快速響應等優點，適用于對電壓穩定性和噪聲比較敏感的低功耗應用。
2、DC-DC實現電源升/降壓
DC-DC電路通常包括一個開關器件（如MOSFET或BJT）和一個能儲存和釋放能量的儲能元件（如電感或電容）。
開關器件通過控制開關狀態（如芯片內部開關管），使得直流電源的電能以一定的頻率和占空比轉移到儲能元件（一般為電感）中，然后通過濾波電路（一般為電容）和反饋回路（一般為反饋電阻），將儲能元件的能量以所需的輸出電壓形式提供給負載電路，最終實現電壓抬升或降低的效果。
DC-DC電路有多種拓撲結構，如降壓（Buck）、升壓（Boost）、升降壓（Buck-Boost）等，可以適應不同的應用場景。
典型的BUCK電路拓撲如下所示：
圖：BUCK電路拓撲
典型的BOOST電路拓撲如下所示：
圖：BOOST電路拓撲
DC-DC電路的優缺點如下：
（1）優點：
有升壓、降壓或者升降壓可選；
可輸出大電流（>1A），帶載能力強；
達到一定負載后效率較高，最高可以做到95%左右；
（2）缺點：
外圍器件多（二極管、電感、大電容等）；
成本相比LDO較高；
電源噪聲大；
3、穩壓二極管實現電源降壓
除了LDO和DCDC之外，利用穩壓二極管也可實現電源降壓。穩壓二極管所構成的穩壓電路是最簡單的線性穩壓電源。
電路原理：穩壓二極管在PN結反向擊穿時，其電流可在很大范圍內變化而穩壓二極管的電壓基本不變，從而實現電源降壓和穩壓。
圖：穩壓二極管實現電源降壓
在上述電路中，R1電阻限制了流入D1和 MCU的總電流，從而使VDD 可以保持在MCU所允許范圍內，需仔細考慮 R1 的選值。
（1）R1和D1的選擇依據是：
在系統最大負載時：R1上的壓降不能過高，這樣MCU才能正常工作；
在系統最小負載時：D1的VZ電壓也不可超過MCU的最大耐受電壓，且D1功率不能超過其額定功率。
（2）穩壓二極管降壓電路的特點如下：
成本很低，可以替代 LDO 使用；
輸出電壓對負載比較敏感；
R1 和 D1 始終有功耗，所以效率較低；
4、二極管實現電源降壓方案
利用二極管的正向導通壓降也可實現電源降壓，如下圖所示。
使用下述電路時，需注意以下幾點：
R1 電阻：R1電阻不能過小，避免最小負載電流時二極管的壓降太低，出現VDD上的電壓超過MCU上限的問題；
二極管：在最大負載時二極管上的總壓降不能過高，避免VDD分到的電壓達不到MCU最低供電要求；
圖：二極管實現電壓降壓
五 結語
硬件電平/電源轉換電路在現代電子設計中扮演著關鍵角色，它們確保了不同設備之間的互通和協作。
在設計這些電路時，必須仔細考慮電平/電源規格、信號方向、穩定性、延遲、功耗以及成本等因素，并選擇合適的實現方法。
審核編輯：湯梓紅
工商網監
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