5V轉(zhuǎn)3.3V穩(wěn)壓芯片原理圖-5V轉(zhuǎn)3.3V電源（五種技術(shù)方案）KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-06-19
通常 5V 輸出的 VOH 為 4.7 伏， VOL 為 0.4 伏；而通常 3.3V LVCMOS 輸入的 VIH 為 0.7 x VDD， VIL為 0.2 x VDD。
當(dāng) 5V 輸出驅(qū)動(dòng)為低時(shí)，不會(huì)有問(wèn)題，因?yàn)?0.4 伏的輸出小于 0.8 伏的輸入閾值。當(dāng) 5V 輸出為高時(shí)， 4.7 伏的 VOH 大于 2.1 伏 VIH，所以，我們可以直接把兩個(gè)引腳相連，不會(huì)有沖突，前提是3.3V CMOS 輸出能夠耐受 5 伏電壓。
如果 3.3V CMOS 輸入不能耐受 5 伏電壓，則將出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)槌隽溯斎氲淖畲箅妷阂?guī)范。
很多廠商都使用鉗位二極管來(lái)保護(hù)器件的 I/O 引腳，防止引腳上的電壓超過(guò)最大允許電壓規(guī)范。鉗位二極管使引腳上的電壓不會(huì)低于 Vss 超過(guò)一個(gè)二極管壓降，也不會(huì)高于 VDD 超過(guò)一個(gè)二極管壓降。要使用鉗位二極管來(lái)保護(hù)輸入，仍然要關(guān)注流經(jīng)鉗位二極管的電流。流經(jīng)鉗位二極管的電流應(yīng)該始終比較小 （在微安數(shù)量級(jí)上）。如果流經(jīng)鉗位二極管的電流過(guò)大，就存在部件閉鎖的危險(xiǎn)。由于5V 輸出的源電阻通常在 10Ω 左右，因此仍需串聯(lián)一個(gè)電阻，限制流經(jīng)鉗位二極管的電流，如圖所示。使用串聯(lián)電阻的后果是降低了輸入開關(guān)的速度，因?yàn)橐_ （CL）上構(gòu)成了 RC 時(shí)間常數(shù)。
如果沒有鉗位二極管，可以在電流中添加一個(gè)外部二極管，如圖所示。
使用二極管鉗位有一個(gè)問(wèn)題，即它將向 3.3V 電源注入電流。在具有高電流 5V 輸出且輕載 3.3V 電源軌的設(shè)計(jì)中，這種電流注入可能會(huì)使 3.3V 電源電壓超過(guò) 3.3V。為了避免這個(gè)問(wèn)題，可以用一個(gè)三極管來(lái)替代，三極管使過(guò)量的輸出驅(qū)動(dòng)電流流向地，而不是 3.3V 電源。設(shè)計(jì)的電路如圖所示。
Q1的基極-發(fā)射極結(jié)所起的作用與二極管鉗位電路中的二極管相同。區(qū)別在于，發(fā)射極電流只有百分之幾流出基極進(jìn)入 3.3V 軌，絕大部分電流都流向集電極，再?gòu)募姌O無(wú)害地流入地?；鶚O電流與集電極電流之比，由晶體管的電流增益決定，通常為10-400，取決于所使用的晶體管。
可以使用簡(jiǎn)單的電阻分壓器將 5V 器件的輸出降低到適用于 3.3V 器件輸入的電平。這種接口的等效電路如圖所示。
通常，源電阻 RS 非常小 （小于 10Ω），如果選擇的 R1 遠(yuǎn)大于 RS 的話，那么可以忽略 RS 對(duì) R1 的影響。在接收端，負(fù)載電阻 RL 非常大 （大于500 kΩ），如果選擇的R2遠(yuǎn)小于RL的話，那么可以忽略 RL 對(duì) R2 的影響。
在功耗和瞬態(tài)時(shí)間之間存在取舍權(quán)衡。為了使接口電流的功耗需求最小，串聯(lián)電阻 R1 和 R2 應(yīng)盡可能大。但是，負(fù)載電容 （由雜散電容 CS 和 3.3V 器件的輸入電容 CL 合成）可能會(huì)對(duì)輸入信號(hào)的上升和下降時(shí)間產(chǎn)生不利影響。如果 R1 和 R2 過(guò)大，上升和下降時(shí)間可能會(huì)過(guò)長(zhǎng)而無(wú)法接受。
如果忽略 RS 和 RL 的影響，則確定 R1 和 R2 的式子由下面的公式如圖給出。
公式給出了確定上升和下降時(shí)間的公式。為便于電路分析，使用戴維寧等效計(jì)算來(lái)確定外加電壓 VA 和串聯(lián)電阻 R。戴維寧等效計(jì)算定義為開路電壓除以短路電流。根據(jù)公式 12-2 所施加的限制，對(duì)于圖所示電路，確定的戴維寧等效電阻 R 應(yīng)為 0.66*R1，戴維寧等效電壓 VA 應(yīng)為0.66*VS。
例如，假設(shè)有下列條件存在：
雜散電容 = 30 pF
負(fù)載電容 = 5 pF
從 0.3V 至 3V 的最大上升時(shí)間 ≤ 1 μs
外加源電壓 Vs = 5V
確定最大電阻的計(jì)算如公式所示。
此技巧使用運(yùn)算放大器衰減從 5V 至 3.3V 系統(tǒng)的信號(hào)幅值。
要將 5V 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為 3.3V 模擬信號(hào)，最簡(jiǎn)單的方法是使用 R1:R2 比值為 1.7:3.3 的電阻分壓器。然而，這種方法存在一些問(wèn)題。
1）衰減器可能會(huì)接至容性負(fù)載，構(gòu)成不期望得到的低通濾波器。
2）衰減器電路可能需要從高阻抗源驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載。
無(wú)論是哪種情形，都需要運(yùn)算放大器用以緩沖信號(hào)。
所需的運(yùn)放電路是單位增益跟隨器 （見圖）。
電路輸出電壓與加在輸入的電壓相同。
為了把 5V 信號(hào)轉(zhuǎn)換為較低的 3V 信號(hào)，我們只要加上電阻衰減器即可。
如果電阻分壓器位于單位增益跟隨器之前，那么將為 3.3V 電路提供最低的阻抗。此外，運(yùn)放可以從3.3V 供電，這將節(jié)省一些功耗。如果選擇的 X 非常大的話， 5V 側(cè)的功耗可以最大限度地減小。
如果衰減器位于單位增益跟隨器之后，那么對(duì) 5V源而言就有最高的阻抗。運(yùn)放必須從 5V 供電，3V 側(cè)的阻抗將取決于 R1||R2 的值。
在將 5V 信號(hào)傳送給 3.3V 系統(tǒng)時(shí)，有時(shí)可以將衰減用作增益。如果期望的信號(hào)小于 5V，那么把信號(hào)直接送入 3.3V ADC 將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)換值。當(dāng)信號(hào)接近 5V 時(shí)就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。所以，需要控制電壓越限的方法，同時(shí)不影響正常范圍中的電壓。這里將討論三種實(shí)現(xiàn)方法。
1. 使用二極管，鉗位過(guò)電壓至 3.3V 供電系統(tǒng)。
2. 使用齊納二極管，把電壓鉗位至任何期望的電壓限。
3. 使用帶二極管的運(yùn)算放大器，進(jìn)行精確鉗位。
進(jìn)行過(guò)電壓鉗位的最簡(jiǎn)單的方法，與將 5V 數(shù)字信號(hào)連接至 3.3V 數(shù)字信號(hào)的簡(jiǎn)單方法完全相同。使用電阻和二極管，使過(guò)量電流流入 3.3V 電源。選用的電阻值必須能夠保護(hù)二極管和 3.3V 電源，同時(shí)還不會(huì)對(duì)模擬性能造成負(fù)面影響。如果 3.3V 電源的阻抗太低，那么這種類型的鉗位可能致使3.3V 電源電壓上升。即使 3.3V 電源有很好的低阻抗，當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，以及在頻率足夠高的情況下，當(dāng)二極管沒有導(dǎo)通時(shí) （由于有跨越二極管的寄生電容），此類鉗位都將使輸入信號(hào)向 3.3V 電源施加噪聲。
為了防止輸入信號(hào)對(duì)電源造成影響，或者為了使輸入應(yīng)對(duì)較大的瞬態(tài)電流時(shí)更為從容，對(duì)前述方法稍加變化，改用齊納二極管。齊納二極管的速度通常要比第一個(gè)電路中所使用的快速信號(hào)二極管慢。不過(guò)，齊納鉗位一般來(lái)說(shuō)更為結(jié)實(shí)，鉗位時(shí)不依賴于電源的特性參數(shù)。鉗位的大小取決于流經(jīng)二極管的電流。這由 R1 的值決定。如果 VIN 源的輸出阻抗足夠大的話，也可不需要 R1。
如果需要不依賴于電源的更為精確的過(guò)電壓鉗位，可以使用運(yùn)放來(lái)得到精密二極管。電路圖所示。運(yùn)放補(bǔ)償了二極管的正向壓降，使得電壓正好被鉗位在運(yùn)放的同相輸入端電源電壓上。如果運(yùn)放是軌到軌的話，可以用 3.3V 供電。
由于鉗位是通過(guò)運(yùn)放來(lái)進(jìn)行的，不會(huì)影響到電源。
運(yùn)放不能改善低電壓電路中出現(xiàn)的阻抗，阻抗仍為R1 加上源電路阻抗。
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