不同工作电压组件间的桥接

　　半导体产业致力于发展“更小、更快、更便宜、更好”的产品。目前的PDA功能比早期体积庞大的计算机更加强大。到目前为止，大部分用来缩减体积的方法都是借着缩减组成各组件的晶体管体积。然而，随着嵌入式系统中晶体管的尺寸越来越小，大多数组件转而采用更低的电源电压，以实现“更小、更快、更便宜、更好”的产品。但在转换的过程，系统中的某些组件需要更长的时间，而无法同步升级。因此，在3.3V的系统中可能存在5V组件；亦或是5V系统中可能存在3.3V组件。

　　对嵌入式设计人员来说，解决方法之一是采用逻辑电位转换器(level translators)，但采用电位转换器并非成本效益比的解决方案。本文将讨论如何以低成本方式将一个3.3V的微控制器(MCU)与一个5V的外围装置连结起来。

　　如果要将5V设计转为3.3V，件事就是寻求电源为3.3V但其它性能相同的微控制器。大多数情况下，都能找到支持3.3V的同级微控制器。而且成本持平、甚至更低。如果找不到可在3.3V下运作的替代组件，则须采用双电源。本文的重点就是集中在双电源供电的设计。

　　就像两个来自世界两端的人要沟通，首先两者要能够彼此了解。同样的，要把5V和3V下运作的组件加以结合，道理也是一样。首先必须理解逻辑电位(voltage logic levels)和输入/输出结构。对于输入，需要考虑VIH(保证被检测为high的输入电压)和VIL(保证被检测为low的输入电压)。将3.3V系统连接到5V组件时，VIH通常会比VIL带来更大的问题。当然，这并不是说可以忽略VIL参数。驱动组件必须输出高于接收组件VIH(min)值的电压才能保证正确的逻辑检测。但是，电压过高也不好。

　　几乎所有CMOS组件在所有I/O接脚都具备ESD保护电路。实现ESD保护常见的方法是采用箝位二极管将这些接脚连接到Vdd和Vss。这通常意味着输入电压为Vdd+0.3V，输入电压为Vss-0.3V。如果电压超出范围，保护二极管就会导通；如果输入端没有串联电阻，极大电流就会通过二极管，并有可能启动闩锁效应。电压若是够高(如3.3V系统中的5V输入)，那么串联电阻必须非常大才能保证箝位电流处于安全范围。电阻若是够大，那么由于接脚电容和PCB设计而引起的低输入电容可能就会变得重要起来。RC时间常数会导致讯号延迟。许多制造商都建议不要使用箝位二极管实现ESD保护。因此，采用串联电阻并非使5V系统与3.3V组件兼容的方法。

　　标准CMOS组件的逻辑电位，大多数VIH(min)都是0.7Vdd或0.8Vdd；而VIL(max)大约在0.2Vdd或0.3Vdd。对于5V逻辑，对应的VIH为3.5V或4.0V，VIL(max)为1.0V或1.5V。在低负载时，大多数CMOS组件的输出都接近于电源电压(0.1或0.2压降)。随着负载电流增加，VOH会变低。因此，确定VOH必须要考虑负载电流。

　　与串联输入电阻相比，更好的方法是采用电阻分压将5V讯号转换到3.3V输入范围内(见图2)。

　　图1：双电源系统的逻辑电平和输入/输出结构

　　图2：采用电阻分压器将5V讯号转换到3.3V输入范围内

　　电阻值的选择必须考虑到所有容许值。可参考下列计算公式：

　　R2/(R1+R2) * VOH(min)@min of 5V(负公差) > VIH(min)

　　R2/(R1 + R2) * VOH (max) @ max of 5V(正公差) < VIH(max)

　　在上述计算过程中还应当考虑到电阻值本身的公差。

　　另一种较简单的方法是采用TTL输入的5V组件。TTL组件的VIH(min)是2.1V(Vdd为5V时)。在负载较高的情况下，大多数3.3V组件可以支持更高的VOH电平。解决之道是将外围更换为兼容TTL输入的组件。

　　稍加注意，您应该很容易就可以发现支持TTL输入的类似组件，参考表1。

　　表1：支持CMOS输入的组件经常有类似支持TTL输入的组件

　　如果正在使用必须采用5V电源的标准数字逻辑组件，便可使用支持TTL输入的同等组件。(如，可使用74HCT系列代替74HC系列。)如果需要使用电位转换器，即可使用HCT或VHCT型的数字缓冲器。大多数情况下，采用TTL输入解决方案比起采用专用电位转换器经济许多。

　　3.3V组件的VOH电平一般比5V CMOS组件的VIH(0.7Vdd=3.5V)稍低。一种简单的解决方案是使用二极管来实现电压转换。

　　上面的电路将输出电压增大了约0.6V。从而正好将3.3V CMOS输出电压转换到了5V CMOS输入范围内。对于低逻辑电平讯号也进行了同样的转换。但，CMOS输入的VIL(max)约为1.5V，因此电压转换后的讯号仍然满足VIL参数的要求。几件事需要注意：当3.3V组件输出0逻辑电位时，电路的吸入电流也将增加。因此应当仔细研究一下3.3V组件VOL规范对电路吸入电流的限制。通常吸入电流越大VIL就越高。因此需要小心不要违反VIL参数要求。如果CMOS输出VOL过高，则必须考虑加大上拉电阻值。如果电阻太大，二极管偏置电流会变低，从而导致二极管的开关速率降低。

　　Microchip新推出的16位PIC24系列微控制器提供了可简化5V接口的独特功能，并提供5V(或5.5V)的输入容忍度，即使组件在3.3V或更低的Vdd电压下运行。这些输入接脚不需连接到Vdd的箝位二极管，而是采用了不同的ESD保护机制。因此不需电阻分压器就可以直接将5V输出连接到3.3V组件。回到图3的例子，这样的功能可帮助您轻易地实现与5V的接口。

　　图3：采用兼容TTL输入的5V组件

　　有些微控制器更加强了这样的功能，提供由外部5V上拉电阻产生5V输出的能力。3.3V组件驱动3.3V输出，但能承受5V的输入。接脚提供数字控制的开汲极输出，使您可以选择将接脚提升至5V，而不会违反任何规范。这个功能支持使CMOS输入与5V组件能轻易接轨。

　　图4：将输出电压转换到5V输入范围内的电路

　　图5：藉由CMOS输入达成与5V组件简单的接口

　　当采用上拉电阻时(见图6)时，需要考虑两个组件间的连接电容，从而决定连接端口讯号的上升/下降速率(和切换频率)，以及适用的电阻值。参考下列公式：

　　图6：开汲极输出的上拉电阻用来产生5V输出

　　公式1：

　　其中τ=RC时间常数，R * C

　　PVdd = 外围电压Vdd

　　PVih(min) = 外围的 Vih(min)值

　　如果使用下述典型值，

　　上拉电阻 R = 1K

　　电容 C(由于接脚和PCB电容) = 10pF

　　PVdd = 5V

　　PVih(min) = 0.7 * Vdd = 3.5V

　　则上升/下降时间为12nS

　　如果上升/下降脉宽为50nS，的输出频率即为20MHz。足以驱动绝大多数的外围配备。

　　但这样的配置也有其缺点：当MCU驱动低逻辑电位时，会透过上拉电阻消耗额外的电流。上拉电阻帮助在速度和电流大小之间采取折衷方案。一个适当的电阻值能够提供所需的速度并确保消耗的电流不过量。

　　上述特性对于驱动继电器这样的低阻抗负载也有帮助。(见图7了解电路配置信息)。要驱动此类负载，需要将接脚定义为输出接脚并驱动为低电位。的限制是组件的电流吸入能力；若要关闭负载，则只需要将接脚定义为输入接脚即可。如此不但会关闭负载并且在输入接脚将会是5V的电位。因为接脚具有容忍于 5V操作的特性，所以这样的操作是容许的。也就是说，需要保持输出拴锁为低逻辑电平，并透过切换TRIS(输入/输出控制缓存器)来使驱动/关闭负载。

　　图7：驱动低阻抗负载的电路配置

　　本文介绍了连接由5V和3.3V电源的有效方法。同时，大多数组件及将很快的转向都使用更低的电源，因此不再需要进行电路桥接。文中提示的方法能帮助您充分利用半导体产业的发展趋势并降低系统成本。