不同电源供电的器件间的桥接

半导体行业从一开始就以"更小、更快、更便宜、更好"为宗旨。当前的掌上电脑(Pocket PC)比占地整整一幢楼的第一台电脑功能更强大。然而，到目前为止，实现这一目标的方法都是减小组成半导体器件的单个晶体管的体积。这也带来了有趣的副作用。随着晶体管变得越来越小，工作电压也越来越低。在过去的嵌入式系统中应用最普遍的就是5V电源。但典型嵌入式系统中的大多数元器件也转而采用更低的电源电压，以充分利用行业最新趋势带来的好处。另一方面，系统中的某些元器件需要更长的时间才能完成转变。因此，在转变过程中，系统中的某些元器件可能需要不同的供电电压(如，在3.3V系统中存在5V器件，反之亦然)。这给嵌入式设计人员带来了一些设计方面的挑战。一种解决方案是采用逻辑电平转换器，但采用电平转换器并非成本效益最高的解决方案。本文将讨论3.3V单片机(MCU)与5V外设接口的一些低成本设计思路。

　　如果要将5V设计转为3.3V，第一件事就是寻求电源为3.3V但其他性能相同的单片机。大多数情况下，都能找到支持3.3V电压的同等器件。而且，基本上，3.3V器件的成本与之持平，甚至更低。如果找不到可运行在3.3V条件下的替代器件，那么就必须采用双电源了。本文的重点就是讨论采用双电源供电的设计。

　　对于5V和3V器件共存的设计，首先必须理解逻辑电平和输入/输出结构。对于输入，需要考虑VIH(保证被检测为高输入的电压)和VIL(保证被检测为低输入的电压)。将3.3V系统连接到5V器件时，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。驱动器件必须输出高于接收器件VIH(min)值的电压才能保证正确的逻辑检测。但是，如果电压太高也不好。

　　几乎所有CMOS器件在所有I/O引脚都采用了某种形式的ESD保护。实现ESD保护最常见的方法是采用箝位二极管将这些引脚连接到Vdd 和 Vss。这通常意味着最大输入电压为Vdd +0.3V，最小输入电压为Vss - 0.3V。如果电压超出这一范围，保护二极管就会导通。如果输入端没有串联电阻，就会导致这些二极管通过极大电流，并有可能造成器件锁死。这肯定不是所希望发生的。如果电压足够高(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内。如果电阻足够大，那么由于引脚电容和PCB布线而引起的低输入容抗可能就会变得重要起来。RC时间常数会导致信号延迟。许多生产商都建议不要使用箝位二极管实现ESD保护。因此，采用串联电阻并非将5V信号馈送到3.3V器件的最好方法。

　　让我们看一下标准CMOS器件的逻辑电平，大多数器件的VIH (min)都是0.7 Vdd或 0.8 Vdd。而 VIL(max) 大致在0.2 Vdd或0.3 Vdd。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器件的输出都接近于电源电压(0.1 或 0.2V)。随着负载电流增加，VOH 会变低。此时，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器将5V信号转换到3.3V输入范围内(见图2)。电阻值的选择必须考虑到所有公差。计算时可参考下面的公式：

R2/(R1 + R2)×VOH (min)>VIH(min) (输入电压为标称值5 V与最大负公差之和)

R2/(R1 + R2)×VOH (max)

　　在上述计算过程中还应当考虑到电阻值本身的公差。

　　另一种更简单的解决方案是采用兼容TTL输入的5V器件。TTL器件的VIH(min)是2.1V(Vdd为5V时)。在大负载值条件下，大多数3.3V器件可以支持更高的VOH电平。此时，解决方案是将外设器件更换为兼容TTL输入的同等器件。

　　应该很容易就可以发现带有TTL输入的类似器件。表1给出了一些例子。

如果正在使用必须采用5V供电的标准数字逻辑系列器件，那么可以寻找支持TTL输入的同等器件。(如，可使用74HCT 系列代替74HC 系列。)如果需要使用电平转换器，那么可使用"HCT"或"VHCT"型的数字缓冲器。在大多数情况下，这一TTL输入解决方案都比采用专用电平转换器便宜。

3.3V器件的VOH 电平一般比5V CMOS器件的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。对于逻辑低电压信号也进行了同样大小的转换。但，CMOS输入的 VIL (max)约为1.5V，因此电压转换后的信号仍然满足 VIL 参数的要求。对于这一配置，需要考虑几件事。当3.3V器件输出0逻辑电平时，电路的汲取电流也将增加。因此应当仔细研究一下3.3V器件VOL 规范对电路灌电流的限制。通常，灌电流越大，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系列单片机提供了可简化5V接口的独特功能。该系列单片机的输入引脚可承受 5V(或 5.5V)电压，即使器件正常情况下运行在3.3V或更低的Vdd电压下。这些输入引脚不需要连接到Vdd的箝位二极管，而是采用了不同的ESD保护机制。对于5V接口来说，这是非常重要的特性，因为这样不需要电阻分压器就可以直接将5V输出连接到3.3V器件。让我们回到图3的例子，可见添加了这一功能即可实现无缝的5V接口。

　　有些单片机产品还进一步增强了这一功能，提供了通过外部5V上拉电阻产生5V输出的能力。3.3V器件驱动3.3V输出，但能承受5V的输入。这些引脚提供数字控制的漏极开路输出，使您可以选择将引脚上拉到5V，而不会违反任何规范。这一功能支持通过CMOS输入与5V器件方便地接口。