如何实现电平转换，多种方法
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6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。
实现电平转换的6种方法，你会几种？
一、电平转换方法
5种电平转换方法分别是，下午我们会从速率、驱动能力、漏电流、成本、通道数五个维度评价。：
1) 晶体管电平转换方法；
2) 专用电平转换芯片；
3) 限流电阻电平转换方法；
4) 电阻分压电平转换方法；
5) 二极管电平转换方法；
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
优势：
1) 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）。
2) 驱动能力强：驱动能力取决于三极管，可以做到数十ma；3) 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：
1) 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。
2) 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：
1) 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。
2) 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。
3) 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。
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) 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：
1) 便宜：便宜是最大的优点，2个电阻一分钱不到；2) 容易实现：电阻采购容易，占用面积小。
劣势：
1) 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。
2) 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
3) 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。
优势：
1) 便宜：便宜是最大的优点，只需要一个电阻就解决。
2) 容易实现：电阻采购容易，占用面积小。
劣势：
1) 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。
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。
优势：
1) 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。
2) 容易实现：二极管、电阻采购容易，占用面积小。
劣势：
1) 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。
2) 单向防倒灌：只能单向防止倒灌，不能双向防止倒灌。
3) 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。
4) 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 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：
1) 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。
2) 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。
3) 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。
4) 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。
5) 成本：成本这个因素交给产品经理考虑吧。
6) 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。
7) 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，下午我们会从速率、驱动能力、漏电流、成本、通道数五个维度评价。：
1) 晶体管电平转换方法；
2) 专用电平转换芯片；
3) 限流电阻电平转换方法；
4) 电阻分压电平转换方法；
5) 二极管电平转换方法；
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
优势：
1) 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）。
2) 驱动能力强：驱动能力取决于三极管，可以做到数十ma；3) 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：
1) 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。
2) 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：
1) 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。
2) 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。
3) 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。
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) 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：
1) 便宜：便宜是最大的优点，2个电阻一分钱不到；2) 容易实现：电阻采购容易，占用面积小。
劣势：
1) 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。
2) 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
3) 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。
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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。
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1) 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。
2) 容易实现：二极管、电阻采购容易，占用面积小。
劣势：
1) 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。
2) 单向防倒灌：只能单向防止倒灌，不能双向防止倒灌。
3) 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。
4) 所需器件较多。
二、使用dialog greenpak的芯片
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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：
1) 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。
2) 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。
3) 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。
4) 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。
5) 成本：成本这个因素交给产品经理考虑吧。
6) 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。
7) 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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三极管使用时需注意的问题
PLC与继电接触器控制的区别
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