单片机5V与3V电平互联的19种技巧.pdf

1、技巧和诀窍技巧和诀窍3V M 2006 Microchip Technology Inc.DS41285A_CN 第 i 页技巧和诀窍简介技巧和诀窍简介技巧#1：使用 LDO 稳压器，从 5V 电源向 3.3V 系统供电.4技巧#2：选择方案：采用齐纳二极管的低成本供电系统.6技巧#3：选择方案：采用 3 个整流二极管的更低成本供电系统.8技巧#4：使用开关稳压器，从 5V 电源向 3.3V 系统供电.10技巧#5：3.3V?5V 直接连接.13技巧#6：3.3V?5V 使用 MOSFET 转换器.14技巧#7：3.3V?5V 使用二极管补偿.16技巧#8：3.3V?5V 使用电压比较器.18

2、技巧#9：5V?3.3V 直接连接.21技巧#10：5V?3.3V 使用二极管钳位.22技巧#11：5V?3.3V 有源钳位.24技巧#12：5V?3.3V 电阻分压器.25技巧#13：3.3V?5V 电平转换器.29技巧#14：3.3V?5V 模拟增益模块.32技巧#15：3.3V?5V 模拟补偿模块.33技巧#16：5V?3.3V 有源模拟衰减器.34技巧#17：5V?3.3V 模拟限幅器.37技巧#18：驱动双极型晶体管.41技巧#19：驱动 N 沟道 MOSFET 晶体管.44目录目录技巧和诀窍技巧和诀窍技巧和诀窍技巧和诀窍DS41285A_CN 第 ii 页 2006 Microch

3、ip Technology Inc.注：注：技巧和诀窍技巧和诀窍 2006 Microchip Technology Inc.DS41285A_CN 第 1 页技巧和诀窍简介技巧和诀窍简介3.3 伏至 5 伏连接。概述概述我们对处理速度的需求日益增长，伴随着这种增长，用来构建单片机的晶体管尺寸则在持续减小。以更低的成本实现更高的集成度，也促进了对更小的几何尺寸的需求。随着尺寸的减小，晶体管击穿电压变得更低，最终，当击穿电压低于电源电压时，就要求减小电源电压。因此，随着速度的提高和复杂程度的上升，对于高密度器件而言，不可避免的后果就是电源电压将从 5V 降至 3.3V，甚至1.8V。Microc

4、hip 单片机的速度和复杂性已经到达足以要求降低电源电压的程度，并正在向 5V 电源电压以下转换。但问题是绝大多数接口电路仍然是为 5V电源而设计的。这就意味着，作为设计人员，我们现在面临着连接 3.3V 和 5V 系统的任务。此外，这个任务不仅包括逻辑电平转换，同时还包括为3.3V 系统供电、转换模拟信号使之跨越 3.3V/5V 的障碍。技巧和诀窍技巧和诀窍DS41285A_CN 第 2 页 2006 Microchip Technology Inc.本 技巧和诀窍提供了一些电源供电组件、数字电平转换组件甚至模拟转换组件，以解决所面临的挑战。全书对每种转换均给出了多种选择方案，从单片（All

5、-in-One）接口器件到低成本的分立解决方案都有涉及。简而言之，无论导致转换的原因是复杂性、成本还是尺寸，设计人员处理 3.3V 挑战可能需要的全部组件均在本文有所讨论。注：注：本 技巧和诀窍中假设电源为 3.3V。然而对于其他电源电压，给出的方法只需要经过适当的修正，将同样适用。技巧和诀窍技巧和诀窍 2006 Microchip Technology Inc.DS41285A_CN 第 3 页电源电源面对 3.3V 挑战首先要解决的问题之一是产生 3.3V电源电压。假设讨论的是 5V 系统至 3.3V 系统的连接，我们可以认为已经拥有稳定的 5 VDC电源。本节将给出针对 5V 至 3.3

6、V 转换而设计的电压稳压器解决方案。只需要适中的电流消耗的设计可以使用简单的线性稳压器。如果电流需求较高的话，可能就需要开关稳压器解决方案。对成本敏感的应用，可能需要简单的分立式二极管稳压器。下面针对这几种情况各给出一个例子，同时包含了必要的支持信息，使其适用于各种最终应用。表表 1：电源比较：电源比较方法方法VREGIQ效率尺寸成本瞬态响应效率尺寸成本瞬态响应齐纳旁路稳压器10%典型值5 mA60%小低差串联线性稳压器0.4%典型值1 A 至 100 A60%小中极好开关降压稳压器0.4%典型值30 A 至2 mA93%中到大高好技巧和诀窍技巧和诀窍DS41285A_CN 第 4 页 200

7、6 Microchip Technology Inc.技巧技巧#1使用使用 LDO 稳压器，从稳压器，从 5V 电源向电源向3.3V 系统供电系统供电标准三端线性稳压器的压差通常是 2.0-3.0V。要把 5V 可靠地转换为 3.3V，就不能使用它们。压差为几百个毫伏的低压降（Low Dropout，LDO）稳压器，是此类应用的理想选择。图 1-1 是基本LDO 系统的框图，标注了相应的电流。从图中可以看出，LDO 由四个主要部分组成：1.导通晶体管2.带隙参考源3.运算放大器4.反馈电阻分压器在选择 LDO 时，重要的是要知道如何区分各种LDO。器件的静态电流、封装大小和型号是重要的器件参数

8、。根据具体应用来确定各种参数，将会得到最优的设计。技巧和诀窍技巧和诀窍 2006 Microchip Technology Inc.DS41285A_CN 第 5 页图图 1-1：LDO 电压稳压器电压稳压器LDO的静态电流IQ是器件空载工作时器件的接地电流 IGND。IGND是 LDO 用来进行稳压的电流。当IOUTIQ时，LDO 的效率可用输出电压除以输入电压来近似地得到。然而，轻载时，必须将 IQ计入效率计算中。具有较低 IQ的 LDO 其轻载效率较高。轻载效率的提高对于 LDO 性能有负面影响。静态电流较高的 LDO 对于线路和负载的突然变化有更快的响应。IINVINVREFIOUTC

9、1C2IGNDRL技巧和诀窍技巧和诀窍DS41285A_CN 第 6 页 2006 Microchip Technology Inc.技巧技巧#2选择方案：采用齐纳二极管的低成本供电系统选择方案：采用齐纳二极管的低成本供电系统这里详细说明了一个采用齐纳二极管的低成本稳压器方案。图图 2-1：齐纳电源：齐纳电源可以用齐纳二极管和电阻做成简单的低成本 3.3V稳压器，如图 2-1 所示。在很多应用中，该电路可以替代 LDO 稳压器并具成本效益。但是，这种稳压器对负载敏感的程度要高于 LDO 稳压器。另外，它的能效较低，因为 R1和 D1始终有功耗。R1限制流入D1和PICmicro MCU的电流，

10、从而使VDD保持在允许范围内。由于流经齐纳二极管的电流变化时，二极管的反向电压也将发生改变，所以需要仔细考虑 R1的值。VDD VSSPICmicro MCU0.1 FC1D1+5VR1 470技巧和诀窍技巧和诀窍 2006 Microchip Technology Inc.DS41285A_CN 第 7 页R1的选择依据是：在最大负载时通常是在PICmicro MCU 运行且驱动其输出为高电平时R1上的电压降要足够低从而使PICmicro MCU有足以维持工作所需的电压。同时，在最小负载时通常是 PICmicro MCU 复位时VDD不超过齐纳二极管的额定功率，也不超过 PICmicro M

11、CU的最大 VDD。技巧和诀窍技巧和诀窍DS41285A_CN 第 8 页 2006 Microchip Technology Inc.技巧技巧#3选择方案：采用选择方案：采用 3 个整流二极管的更低成本供电系统个整流二极管的更低成本供电系统图 3-1 详细说明了一个采用 3 个整流二极管的更低成本稳压器方案。图图 3-1：二极管电源：二极管电源我们也可以把几个常规开关二极管串联起来，用其正向压降来降低进入的 PICmicro MCU 的电压。这甚至比齐纳二极管稳压器的成本还要低。这种设计的电流消耗通常要比使用齐纳二极管的电路低。VDD VSSPICmicro MCU0.1 FC1R1+5VD

12、3D1D2技巧和诀窍技巧和诀窍 2006 Microchip Technology Inc.DS41285A_CN 第 9 页所需二极管的数量根据所选用二极管的正向电压而变化。二极管 D1-D3的电压降是流经这些二极管的电流的函数。连接 R1是为了避免在负载最小时通常是 PICmicro MCU 处于复位或休眠状态时PICmicro MCU VDD引脚上的电压超过PICmicro MCU 的最大 VDD值。根据其他连接至VDD的电路，可以提高R1的阻值，甚至也可能完全不需要 R1。二极管 D1-D3的选择依据是：在最大负载时通常是 PICmicro MCU 运行且驱动其输出为高电平时D1-D3

13、上的电压降要足够低从而能够满足 PICmicro MCU 的最低 VDD要求。技巧和诀窍技巧和诀窍DS41285A_CN 第 10 页 2006 Microchip Technology Inc.技巧技巧#4使用开关稳压器，从使用开关稳压器，从 5V 电源向电源向3.3V 系统供电系统供电如图 4-1 所示，降压开关稳压器是一种基于电感的转换器，用来把输入电压源降低至幅值较低的输出电压。输出稳压是通过控制 MOSFET Q1 的导通（ON）时间来实现的。由于 MOSFET 要么处于低阻状态，要么处于高阻状态（分别为 ON 和OFF），因此高输入源电压能够高效率地转换成较低的输出电压。当 Q1

14、在这两种状态期间时，通过平衡电感的电压-时间，可以建立输入和输出电压之间的关系。对于 MOSFET Q1，有下式：在选择电感的值时，使电感的最大峰-峰纹波电流等于最大负载电流的百分之十的电感值，是个很好的初始选择。(Vs Vo)*ton=Vo*(T ton)其中：T ton/Duty_CycleDuty_CycleQ1=Vo/VsV=L*(di/dt)L=(Vs-Vo)*(ton/Io*0.10)技巧和诀窍技巧和诀窍 2006 Microchip Technology Inc.DS41285A_CN 第 11 页在选择输出电容值时，好的初值是：使 LC 滤波器特性阻抗等于负载电阻。这样在满载工

15、作期间如果突然卸掉负载，电压过冲能处于可接受范围之内。在选择二极管 D1时，应选择额定电流足够大的元件，使之能够承受脉冲周期（IL）放电期间的电感电流。图图 4-1：降压（：降压（BUCK）稳压器）稳压器 C=L/R2=(I2*L)/V2ooZo L/CLVoD1CQ1VsRL技巧和诀窍技巧和诀窍DS41285A_CN 第 12 页 2006 Microchip Technology Inc.数字连接数字连接在连接两个工作电压不同的器件时，必须要知道其各自的输出、输入阈值。知道阈值之后，可根据应用的其他需求选择器件的连接方法。表 4-1 是本文档所使用的输出、输入阈值。在设计连接时，请务必参考

16、制造商的数据手册以获得实际的阈值电平。表表 4-1：输入：输入/输出阈值输出阈值VOH最小值最小值VOL最大值最大值VIH最小值最小值VIL最大值最大值5V TTL2.4V0.5V2.0V0.8V3.3V LVTTL2.4V0.4V2.0V0.8V5V CMOS4.7V (VCC-0.3V)0.5V3.5V(0.7xVCC)1.5V(0.3xVCC)3.3V LVCMOS3.0V (VCC-0.3V)0.5V2.3V(0.7xVCC)1.0V(0.3xVCC)技巧和诀窍技巧和诀窍 2006 Microchip Technology Inc.DS41285A_CN 第 13 页技巧技巧#53.3V?5V 直接连接直接连接将 3.3V 输出连接到 5V 输入最简单、最理想的方法是直接连接。直接连接需要满足以下 2 点要求：3.3V 输出的 VOH大于 5V 输入的 VIH 3.3V 输出的 VOL小于 5V 输入的 VIL能够使用这种方法的例子之一是将 3.3V LVCMOS输出连接到 5V TTL 输入。从表 4-1 中所给出的值可以清楚地看到上述要求均满足。3.3V LVCMOS 的