干货 | 电平转换的几种实现方式
内容提要
电平转换是一种针对不同供电电压的CPU之间通讯的转换技术。电平转换可以避免信号传输错误和芯片损坏。有两种设计方向：使用专用的电平转换芯片或者搭建分立元器件电路。分立电路可以实现单向或双向转换。电路设计中的电平转换是一个复杂的领域，需要仔细研究和实践。
延伸解读
专用芯片与分立电路的选择考量
文章指出电平转换有两种设计方向：专用芯片和分立元器件搭建。专用芯片如双电源供电的双向电平转换芯片，通过检测外部端口的驱动电流来判别转换方向，无需外部方向控制管脚，软件上也无需考虑更改转换方向，使用省事。而分立电路则需自行搭建，可实现单向或双向转换，但设计更复杂。工程师应根据项目需求、成本、灵活性等因素权衡选择。
单向电平转换电路的实现差异
文章介绍了两款单向电平转换分立电路。图2电路使用一个三极管，当输入低电平时三极管导通拉低输出，输入高电平时三极管截止输出被上拉，实现单向转换。图3电路使用两个三极管，输入低电平时Q1关断、Q2导通拉低输出；输入高电平时Q1导通、Q2关断，输出被上拉。两者均只能单向转换，但后者结构稍复杂，适用于不同场景。
双向电平转换电路的工作机制
文章详细描述了常用的双向电平转换电路（图4）。当Net1输出高电平时，MOS管Vgs=0关闭，Net2被上拉到5V；Net1输出低电平时，Vgs=3.3V大于阈值，MOS管导通拉低Net2。当Net2输出高电平时，MOS管维持关闭，Net1被上拉到3.3V；Net2输出低电平时，MOS管先经体二极管拉低Net1，使Vgs≈3.3V后导通，进一步拉低电压。该电路可实现双向转换。
电平转换设计的复杂性与实践建议
文章强调电平转换是电路设计中的复杂领域，仅介绍了冰山一角。不同电压域通讯时，若电平不匹配可能导致信号传输错误，甚至芯片损坏。因此，工程师需仔细研究并实践，根据具体电压、方向、速度等要求选择合适的转换方案。平时整理知识有助于归纳和日后快速应用，遇到问题时也可参考同行经验或评论区交流。
Q&A
为什么需要电平转换？
当两个CPU供电电压不同（如1.2V和3.3V）时，直接通讯可能导致信号传输错误，电压差较大时甚至可能损坏芯片。电平转换可以解决这一问题，保证不同电平之间的正常通讯。
电平转换电路有哪两种设计方向？
一是使用专用的电平转换芯片，二是用分立元器件搭建电路。专用芯片简化设计，分立电路可实现单向或双向转换。
专用电平转换芯片有什么优点？
专用芯片为不同电压域之间的数据通讯及控制提供方便，例如双电源供电的双向电平转换芯片通过检测外部端口的驱动电流来判别转换方向，无需外部方向控制管脚，工程师使用省事，软件上也无需考虑更改转换方向。
单向电平转换电路（图2）的工作原理是什么？
左侧IN为输入，右侧OUT为输出，VDDA与VDDB为两个电压域。当IN输入0V时，三极管Q1导通，OUT被拉低到接近0V，实现低电平转换；当IN输入高电平(VDDA)时，三极管Q1截止，OUT被上拉至VDDB，实现高电平转换。此电路为单向转换，方向为IN输入，OUT输出。
双向电平转换电路（图4）的工作过程是怎样的？
1. 当Net1输出高电平时，MOS管Q1的Vgs=0，MOS管关闭，Net2被电阻R2上拉到5V；2. 当Net1输出低电平时，MOS管Q1的Vgs=3.3V，大于导通电压阈值，MOS管导通，Net2通过MOS管被拉低到低电平；3. 当Net2输出高电平时，MOS管Q1的Vgs不变，MOS管维持关闭状态，Net1被电阻R1上拉到3.3V；4. 当Net2输出低电平时，MOS管Q1不导通，MOS管先经过体二极管把Net1拉低到低电平，此时Vgs≈3.3V，MOS管导通，进一步拉低Net的电压。
电平转换电路设计复杂吗？
电平转换是电路设计中的复杂领域，需要仔细研究和实践。文章仅介绍了冰山一角，电路设计中任何一块都值得深入探讨。
