EEPW论坛

电平转换指的是将一个电路或信号从一种电平转换为另一种电平的技术。在数字电路和嵌入式系统中，电平转换非常常见，例如将TTL逻辑电平转换为CMOS逻辑电平。电平转换的必要性主要源于不同芯片引脚使用的电压不同，如常见的1.8V、3.3V、5V等。在两种不同电压芯片引脚之间进行通讯时，为确保两边的电平都符合自身需求并实现正常通讯，电平转换变得至关重要。如果通讯的两端压差过大，可能会损坏芯片引脚，因此电平转换也起到了保护电路的作用。

在进行电平转换时，主要考虑的是信号传输的速度以及信号的方向问题。常用的电平转换电路有多种，如单向电平转换电路和双向电平转换电路等。这些电路通过不同的方式实现电平转换，以满足不同应用场景的需求。

电平转换器通常由输入端、输出端和中间转换电路组成，具有多个重要功能：

1. 信号兼容性：电平转换器能够实现不同电平之间的信号兼容性，使得不同电平的设备能够相互通信和交互。

2. 电压适配：电平转换器可以将信号的电压水平适配到目标设备或系统的工作范围，确保输入信号与目标设备之间的匹配和兼容。

3. 阻抗匹配：电平转换器可以实现输入信号和输出信号之间的阻抗匹配，确保信号传输的最佳匹配和有效性。

4. 信号放大与衰减：电平转换器可以根据需要对信号进行放大或衰减，以满足特定应用的要求。

二极管电平转换：

• 适用范围：输入信号电平大于输出信号的转换电路上

• 优点：成本低，使用元件少

• 缺点：只能单向传输，且输入信号电平大于输出信号，二极管会产生较大的压降

此处二极管的选择尽量选择低压降的肖特基二极管，以保证信号传输不会因为二极管的压降过大导致电平读取出错。

使用电平转换电路时，确实需要注意转换的方向，特别是高电压端和低电压端的连接，这两者绝对不可调换。这是因为在电平转换过程中，电路通常被设计为允许特定方向的电压转换，即从高电压到低电压或从低电压到高电压。如果错误地连接了高电压端和低电压端，可能会导致电路损坏或设备故障。

具体地，当使用单向电平转换电路时，必须确保高电压信号只流向低电压端。如果反过来连接，高电压可能会直接施加到低电压设备或芯片上，超过其承受范围，从而损坏这些组件。

此外，双向电平转换电路虽然允许两个方向的电压转换，但每个方向上的转换参数和限制可能不同，因此仍需要仔细查看电路设计和规格，确保正确连接高电压端和低电压端。

为了防止这种错误，建议在设计和构建电路时采取以下措施：

1. 仔细阅读并理解电平转换电路的规格和参数，确保了解哪个是高电压端，哪个是低电压端。

2. 在电路板上清楚地标记高电压端和低电压端，以便在连接时不会混淆。

3. 使用适当的保护措施，如添加限流电阻或二极管，以防止高电压直接施加到低电压设备上。

电路分析

当 3.3V 器件输出高电平信号，由于上拉 5V 作用，信号输入器件被上拉为 5V 电平。

当 3.3V 器件输出低电平信号，使 OUTPUT 信号被拉低，从而信号输入器件信号被拉低。

当输入端 3.3V_IN 为低电平时，D1导通，输出端 1.8V_OUT 为低电平，实现两端都为低电平。

当输入端 3.3V_IN 为高电平时，D1截止，输出端 被 R1 上拉至 1.8V ，为高电平，实现两端都为高电平。

三极管电平转换电路

• 适用范围：输入信号电平大于输出信号的转换电路上

• 优点：成本低，使用元件少，相较于二极管不同的是，三极管信号输入端可以用更小的电流驱动，此处可能在某些外设驱动能力较弱的情况下更具优势

• 缺点：只能单向传输，且输入信号电平大于输出信号

作用范围和优缺点和二极管电路类似，三极管也会因为 PN 结产生一定的压降，从而在三极管的选型上，可以选择导通压降较低的三极管。

工作过程分析：

当 3.3V 器件输出高电平信号，由于上拉 5V 作用，信号输入器件被上拉为 5V 电平。

当 3.3V 器件输出低电平信号，导致 PNP 二极管导通，从而信号输入器件信号被拉低。

当输入端为 低电平 0V的时候，三极管导通，输出端 与输入端导通，输出端被拉低到接近0V，实现两端都为低电平。

当输入端为 高电平的时候，三极管截止， 输出端 靠着上拉电阻（上图中的 R17、R19），变成高电平，实现两端都被高电平。

电路分析

当输入 S_IN 为低电平时，三极管 Q1关断，三极管 Q2 基极为高电平，导致 Q2 导通，输出端 S_OUT被拉低，实现两端都为低电平。

当输入 S_IN 为高电平 (VDD_EXT) 时，三极管 Q1 导通，三极管Q2关断，输出端 S_OUT 被 R4 拉高到 VDD_MCU，实现两端都为高电平。

<3 三极管电平转换电路，便宜实用，但是只能单向转化。 而且不适用于波特率过高的应用（大概大于 400Kbps 就不建议用了）。

MOS管电平转换电路

注意事项：

1、该电路只能用于收发双方都是开集（Open Collector, OC）或开漏（Open Drain, OD）结构输出的双向信号线。比如常见的I2C通讯。

2、VCC_S1 <= VCC_S2

3、MOS管导通电压门限（Vth(GS)里面的最大值）需要小于低电源电压。

电路分析

我们使用上图来简单分一下电路：

从左向右看

当 S1A 为高电平 (VCC_S1) 时候，MOS管 VGS = 0， NM1 不导通，S2A 处电平被 R11 上拉为高电平(VCC_S2)，S2A也为高电平。两端都为高电平。 当 S1A 为低电平 时候，MOS管 VGS = VCC_S1， NM1 导通，S2A 的电平与 S1A相等，为低电平。两端都为低电平。

从右向左看

这里说明一下开漏输出，由于有上拉电阻，所以没有外部影响的正常情况下，S1A 和 S2A 默认都会是高电平。

当 S2A 为高电平 (VCC_S2) 时候：

假设左侧 S1A 为高电平（因为是开漏输出，所以左侧一般来说被 R10 上拉至高电平 (VCC_S1)，除非线上有低电平拉低，这里我们仍然分两种情况讨论），MOS管 VGS = 0， NM1 不导通，左侧依然被R10 上拉至高电平 (VCC_S1)。两端都为高电平。 假设左侧 S1A 为低电平（正常不会发生，原因就是开漏输出），MOS管 VGS = VCC_S1， NM1 导通，S2A 为高电平，所以会导致 S1A 电压上升，等 S1A 上升到 VCC_S1 的时候，NM1 截止，两端都变成高电平（除非开始使得 S1A 为低电平的外界因数一直存在，这是外部的问题不做过多讨论）。

当 S2A 为低电平时候：

正常情况下左侧 S1A 为高电平(VCC_S1)，MOS管 VGS = 0， NM1 不导通，但是由于 MOS 管的寄生二极管，会把 S1A 下拉至低电平（这个低电平不是0V，是比 S2A 高一个二极管压降，比如 0.7V），那么VGS =（VCC_S1 - 0.7V），使得 NM1导通，导通以后，那么 S1A 和 S1B 基本相等，两端都为低电平。

如果 S1A 开始就为低电平（正常不会发生），MOS管 VGS = VCC_S1， NM1 导通，S2A 的电平与 S1A相等，为低电平。两端都为低电平。

<3 最经典的电平转换电路，双向电平转换。常用于 I2C通讯。 不能用于推挽输出的IO口，MOS管的选型需要注意 VGS(th)(开启电压) 要小于通讯两端的需要的电源电压。

• 适用范围：适用于大部分需要电平转换的应用场景

• 优点：可以双向传输，导通压降一般较小，且传输频率可以达到很高

下面以 I2C 的其中一条信号线进行工作过程分析：

当 SDA1 输出高电平时：MOS 管 Q1 的 Vgs = 0，MOS 管关闭，SDA2 被电阻 R3 上拉到 5V。

当 SDA1 输出低电平时：MOS 管 Q1 的 Vgs = 3.3V，大于导通电压，MOS 管导通，SDA2 通过 MOS 管被拉到低电平。

当 SDA2 输出高电平时：MOS 管 Q1 的 Vgs 不变，MOS 维持关闭状态，SDA1 被电阻 R2 上拉到 3.3V。

当 SDA2 输出低电平时：MOS 管不导通，但是它有体二极管，MOS 管里的体二极管把 SDA1 拉低到低电平，此时 Vgs 约等于 3.3V，MOS 管导通，进一步拉低了 SDA1 的电压。

电平转换芯片：

这里略过，不同的芯片工作方式不一样。

总结：

MOS管电平转换电路、电平转换芯片、三极管电平转换电路以及二极管电平转换电路都是在电路设计中常见的电平转换方案，它们各自具有不同的工作原理和应用场景。

MOS管电平转换电路主要利用MOS管的开关特性来实现电平转换。当MOS管的栅极电压达到或超过其阈值电压时，MOS管会导通，允许电流通过。通过调整电路中的电阻、电容等元件，可以控制MOS管的栅极电压，从而实现不同电平之间的转换。

电平转换芯片则是一种更为集成化的解决方案。它内部包含了多个逻辑门或触发器，通过内部的逻辑电路实现不同电平之间的转换。电平转换芯片通常具有多个输入和输出引脚，可以方便地与不同电平的设备进行连接。这种芯片在数字电子系统中广泛应用，可以解决不同逻辑电平之间的兼容性和互联问题。

三极管电平转换电路则是利用三极管的放大和开关特性来实现电平转换。通过调整三极管的基极电压，可以控制其集电极和发射极之间的电流，从而实现电平的转换。三极管电平转换电路具有成本低、使用元件少等优点，但在某些情况下可能需要注意其单向传输的特性。

二极管电平转换电路则主要利用二极管的单向导电性来实现电平转换。当二极管正向偏置时，它允许电流通过；而当反向偏置时，则几乎不导电。通过合理设计电路，可以利用二极管的这一特性实现电平的转换。

在选择使用哪种电平转换方案时，需要根据具体的应用场景和需求进行考虑。例如，如果对转换速度和精度要求较高，电平转换芯片可能是一个更好的选择；而如果成本是一个关键因素，那么三极管或二极管电平转换电路可能更合适。同时，还需要注意不同方案之间的兼容性和可靠性问题，以确保电路的稳定运行。