接口电路设计：电平转换

—弁言—

接口电路的设计在电单片机运用处所中还是很主要的，由于如果接口电路没有设计好，严重就会烧芯片，或者烧芯片IO口，轻者就会导致事情紊乱，事情不正常。
有时候这种问题自己在设计调试的时候根本创造不了，在批量生产或者用户在利用的时候才涌现芯片被烧掉，或者IO口被烧掉。

如果我们在设计的时候能考虑到接口的一些问题就可以减少，提高产品的可靠性。
下面我们就从电流倒灌问题和电平匹配问题进行阐述。

—电流倒灌—

一、观点

倒灌便是电流流进IC内部，电流总是流入电势低的地方。
比如说电压源，一样平常都是输出电流，但是如果有另一个电源同时存在，并且电势高于这个电源，电流就会流入这个电源，称为倒灌。

二、危害

1. 电流太大会将使IO口上的钳位二极管迅速过载并使其破坏。

2. 会使单片机复位不堪利。

3. 会使可编程器件程序紊乱。

4. 会涌现闩锁效应。

三、缘故原由

图1 STM32的IO口框图

当两个单片机进行串口通信时，如果个中一个单片机断电，另一个单片机连续供电，正常运行。
那么没有断电的单片机的IO口给断电的单片机的IO口供电，并同通过上拉保护二极管向断电的单片机进行供电。
或者说两个单片机供电电压不一样，电流就会从供电高的一方流向供电低的一方。

四、办理办法

图2 串联限流电阻

如图2加一个小电阻，可以防止过流破坏二极管D1。
还可以进行阻抗匹配，由于旗子暗记源的阻抗很低，跟旗子暗记线之间阻抗不匹配，串上一个电阻后，可改进匹配情形，以减少反射，避免振荡等。
也可以减少旗子暗记边沿的陡峭程度，从而减少高频噪声以及过冲等。
但不能办理灌流在Vcc上建立电压。
一样平常情形下就会选择串电阻，取值范围是几欧到1K欧，根据实际情形而定，

图3 串联反向二极管

在旗子暗记线上加二极管D3及上拉电阻R1，D3用于阻断灌流利路，R1办理前级输出高电平时使G1的输入保持高电平。
此方法既可办理灌流破坏二极管D1的问题，又可办理灌流在Vcc上建立电压。
缺陷只适用于速率烦懑的电路上。
如果单片机IO口比较薄弱，或者两边电压不也一样须要低本钱进行电平转换，且是单一方向，速率比较低（比如串口）的时候就可以选择该方案。
二极管要选择肖特基二极管才比较好。

—电平转换—

在电路设计过程中，会碰到处理器MCU的I/O电平与模块的I/O电平不相同的问题，为了担保两者的正常通信，须要进行电平转换。
如果两边的电平不一样就直接连接进行通信，像TTL电平就会涌现上一节将的那样电流倒灌征象。

设计电平转换电路须要几个问题：

（1）VOH>VIH；VOL<VIL

（2）对付多电源系统，某些器件不许可输入电平超过电源电压，针对有类似哀求的器件，电路上应适当做些保护。

（3）电平转换电路会影响通信速率，以是利用时应该把稳通信速率上的哀求。

1.NPN三极管电平转换

图4 三极管电平转换电路

这个电平转换便是由两级三极管电路组成。
三极管只能单向进行转换，而且元器件比较多。

2.NMOS电平转换

图5 NMOS电平转换电路

该电路可实现双向传输，利用条件是VCC2>VCC1+0.7V，这个电路也是

Port1向Port2传输

（1）Port1高电平时，NMOS的Ugs=0V截止，Port2真个电压为VCC2高电平。

（2）Port1低电平时，NMOS的Ugs=3.3V导通，Port2真个电压为Port1真个电压低电平。

Port2向Port1传输

（1）Port2高电平时，NMOS的Ugs=0V截止，Port1真个电压为VCC1--高电平。

（2）Port2低电平时，NMOS的体二极管导通，使得Vs的电压为0.7V旁边，那么Ugs=VCC1-0.7V，只要选择的开启电压小于Ugs电压就可以让MOS管导通，Port1真个电压为Port2真个电压--低电平。

3.利用专用电平芯片转换电平

利用专用的电平转换芯片，分别给输入和输出旗子暗记供应不同的电压，转换由芯片内部完成，例如PCA9306DCTR等电平转换芯片。
专用芯片是最可靠的电平转换方案。

图6 专用电平转换芯片

上风：

1) 驱动能力强：专用芯片的输出一样平常都利用了CMOS工艺，输出驱动10mA不在话下。

2) 泄电流险些为0：内部是一系列的放大、比较器，输入阻抗非常高，一样平常都达到数百K。
泄电流基本都是nA级别的。

3) 路数较多：专用芯片针对不同的运用，从2路到数十路都有，十分适宜对面积哀求高的场合。

4) 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：

1) 本钱：专用芯片集浩瀚上风于一身，便是本钱是最大的劣势，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元公民币以上，如果利用三极管做，本钱2毛钱都不到。

图7 专用电平转换芯片价格

4. 利用电阻分压转换电平

图8 电阻分压电平转换电路

上风：

1) 便宜：便宜是最大的优点，2个电阻一分钱不到；

2) 随意马虎实现：电阻采购随意马虎，占用面积小。

劣势：

1) 速率：分压法为了降落功耗，利用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，一样平常只能运用于100K以内的频率。

2) 驱动能力：由于利用了大阻值的电阻，驱动能力被严格掌握，并不适宜须要高驱动能力的场合，例如LED灯等

3) 泄电：泄电是该方案最大的缺陷，由于通过电阻直连，旁边两端的电压会流动，从而相互影响。
例如，RS232接口采取该方案，上电瞬间外设就给主芯片供应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。

5. 利用电阻限流转换电平

图9 电阻限流电平转换电路

上风：

1) 便宜：便宜是最大的优点，只须要一个电阻就办理。

2) 随意马虎实现。

劣势：

1) 电阻选值不是很随意马虎选择，须要对芯片内部很熟习。

6. 利用二极管转换电平

图10 二极管电平转换电路

上风：

1) 泄电流小：由于二极管的泄电流非常小（uA级），可以单向防止电源倒灌，防止电流倒灌。

2) 随意马虎实现。

劣：

1) 电平偏差大：紧张是二极管的正向压降较大，随意马虎超出芯片的事情电压范围。

2) 单向防倒灌：只能单向防止倒灌，不能双向防止倒灌。

3) 速率和驱动能力不理想：由于电阻限流，驱动速率和能力均不理想，只能运用在100K以内的频率。