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十九个5V转3.3V的小技巧

2019-10-22 阅读:
本文对稳压电路5V转3.3V的经典方案进行了总结,并进行了详尽的阐述。
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技巧九:5V→3.3V直接连接

通常 5V 输出的 VOH 为 4.7 伏, VOL 为 0.4 伏;而通常 3.3V LVCMOS 输入的 VIH 为 0.7 x VDD, VIL为 0.2 x VDD。wnSednc

当 5V 输出驱动为低时,不会有问题,因为 0.4 伏的输出小于 0.8 伏的输入阈值。当 5V 输出为高时, 4.7 伏的 VOH 大于 2.1 伏 VIH,所以,我们可以直接把两个引脚相连,不会有冲突,前提是3.3V CMOS 输出能够耐受 5 伏电压。wnSednc

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如果 3.3V CMOS 输入不能耐受 5 伏电压,则将出现问题,因为超出了输入的最大电压规范。可能的解决方案请参见技巧 10-13。wnSednc

技巧十:5V→3.3V使用二极管钳位

很多厂商都使用钳位二极管来保护器件的 I/O 引脚,防止引脚上的电压超过最大允许电压规范。钳位二极管使引脚上的电压不会低于 Vss 超过一个二极管压降,也不会高于 VDD 超过一个二极管压降。要使用钳位二极管来保护输入,仍然要关注流经钳位二极管的电流。流经钳位二极管的电流应该始终比较小 (在微安数量级上)。如果流经钳位二极管的电流过大,就存在部件闭锁的危险。由于5V 输出的源电阻通常在 10Ω 左右,因此仍需串联一个电阻,限制流经钳位二极管的电流,如图 10-1所示。使用串联电阻的后果是降低了输入开关的速度,因为引脚 (CL)上构成了 RC 时间常数。wnSednc

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如果没有钳位二极管,可以在电流中添加一个外部二极管,如图 10-2 所示。wnSednc

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技巧十:5V→3.3V有源钳位

使用二极管钳位有一个问题,即它将向 3.3V 电源注入电流。在具有高电流 5V 输出且轻载 3.3V 电源轨的设计中,这种电流注入可能会使 3.3V 电源电压超过 3.3V。为了避免这个问题,可以用一个三极管来替代,三极管使过量的输出驱动电流流向地,而不是 3.3V 电源。设计的电路如图 11-1 所示。wnSednc

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Q1的基极-发射极结所起的作用与二极管钳位电路中的二极管相同。区别在于,发射极电流只有百分之几流出基极进入 3.3V 轨,绝大部分电流都流向集电极,再从集电极无害地流入地。基极电流与集电极电流之比,由晶体管的电流增益决定,通常为10-400,取决于所使用的晶体管。wnSednc

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 器件输入的电平。这种接口的等效电路如图 12-1 所示。wnSednc

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通常,源电阻 RS 非常小 (小于 10Ω),如果选择的 R1 远大于RS 的话,那么可以忽略 RS 对 R1 的影响。在接收端,负载电阻 RL 非常大 (大于500 kΩ),如果选择的R2远小于RL的话,那么可以忽略 RL 对 R2 的影响。wnSednc

在功耗和瞬态时间之间存在取舍权衡。为了使接口电流的功耗需求最小,串联电阻 R1 和 R2 应尽可能大。但是,负载电容 (由杂散电容 CS 和 3.3V 器件的输入电容 CL 合成)可能会对输入信号的上升和下降时间产生不利影响。如果 R1 和 R2 过大,上升和下降时间可能会过长而无法接受。wnSednc

如果忽略 RS 和 RL 的影响,则确定 R1 和 R2 的式子由下面的公式 12-1 给出。wnSednc

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公式 12-2 给出了确定上升和下降时间的公式。为便于电路分析,使用戴维宁等效计算来确定外加电压 VA 和串联电阻R。戴维宁等效计算定义为开路电压除以短路电流。根据公式 12-2 所施加的限制,对于图 12-1 所示电路,确定的戴维宁等效电阻 R 应为 0.66*R1,戴维宁等效电压 VA 应为0.66*VS。wnSednc

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例如,假设有下列条件存在:wnSednc

• 杂散电容 = 30 pFwnSednc

• 负载电容 = 5 pFwnSednc

• 从 0.3V 至 3V 的最大上升时间 ≤ 1 μswnSednc

• 外加源电压 Vs = 5VwnSednc

确定最大电阻的计算如公式 12-3 所示。wnSednc

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技巧十三:3.3V→5V电平转换器

尽管电平转换可以分立地进行,但通常使用集成解决方案较受欢迎。电平转换器的使用范围比较广泛:有单向和双向配置、不同的电压转换和不同的速度,供用户选择最佳的解决方案。wnSednc

器件之间的板级通讯 (例如, MCU 至外设)通过 SPI 或 I2C™ 来进行,这是最常见的。对于SPI,使用单向电平转换器比较合适;对于 I2C,就需要使用双向解决方案。下面的图 13-1 显示了这两种解决方案。wnSednc

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模拟wnSednc

3.3V 至 5V 接口的最后一项挑战是如何转换模拟信号,使之跨越电源障碍。低电平信号可能不需要外部电路,但在 3.3V 与 5V 之间传送信号的系统则会受到电源变化的影响。例如,在 3.3V 系统中,ADC转换1V峰值的模拟信号,其分辨率要比5V系统中 ADC 转换的高,这是因为在 3.3V ADC 中,ADC 量程中更多的部分用于转换。但另一方面,3.3V 系统中相对较高的信号幅值,与系统较低的共模电压限制可能会发生冲突。wnSednc

因此,为了补偿上述差异,可能需要某种接口电路。本节将讨论接口电路,以帮助缓和信号在不同电源之间转换的问题。wnSednc

技巧十四:3.3V→5V模拟增益模块

从 3.3V 电源连接至 5V 时,需要提升模拟电压。33 kΩ 和 17kΩ 电阻设定了运放的增益,从而在两端均使用满量程。11 kΩ 电阻限制了流回 3.3V 电路的电流。wnSednc

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技巧十五:3.3V→5V模拟补偿模块

该模块用于补偿 3.3V 转换到 5V 的模拟电压。下面是将 3.3V 电源供电的模拟电压转换为由 5V电源供电。右上方的 147 kΩ、 30.1 kΩ 电阻以及+5V 电源,等效于串联了 25 kΩ 电阻的 0.85V 电压源。这个等效的 25 kΩ 电阻、三个 25 kΩ 电阻以及运放构成了增益为 1 V/V 的差动放大器。 0.85V等效电压源将出现在输入端的任何信号向上平移相同的幅度;以 3.3V/2 = 1.65V 为中心的信号将同时以 5.0V/2 = 2.50V 为中心。左上方的电阻限制了来自 5V 电路的电流。wnSednc

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