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如何將5V輸出安全轉(zhuǎn)換為3.3V輸入

硬件攻城獅 ? 來(lái)源:玩轉(zhuǎn)單片機(jī)與嵌入式 ? 2024-04-04 08:20 ? 次閱讀
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本文重點(diǎn)講解16種方法,統(tǒng)計(jì)如下:

直接連接(警告:僅使用 5V 容限輸入!!!)

串聯(lián)電阻器。

串聯(lián)電阻器具有外部肖特基二極管箝位,朝向3.3V線路。

帶上拉電阻的串聯(lián)二極管。

帶有源鉗位的串聯(lián)電阻器。

電阻和齊納二極管。

電阻分壓器。

BJT/MOSFET 作為逆變器。

兩個(gè)級(jí)聯(lián)雙極型晶體管/MOSFET 作為緩沖器。

漏極/集電極開(kāi)路輸出上的上拉電阻。

增加具有漏極/集電極開(kāi)路輸出的 5V 供電邏輯 IC(緩沖器、柵極等)。

增加具有 5V 容限輸入的 3.3V 供電邏輯 IC(緩沖器、柵極等)。

系列 MOSFET(通用柵極配置)。

雙極型晶體管系列(通用底座配置)。

電平轉(zhuǎn)換器。

光耦合器

1、直接連接(僅限于5V容限輸入)

最簡(jiǎn)單的方法是直接連接。

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優(yōu)勢(shì):

沒(méi)有額外的成本或空間

最快的解決方案

劣勢(shì):

僅適用于 5V 容限器件

2、串聯(lián)電阻器

將5V連接至3.3V系統(tǒng)的第二種最簡(jiǎn)單方法是使用串聯(lián)電阻。

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上圖串聯(lián)電阻器用于將一個(gè) 5V 輸出連接至一個(gè) 3.3V 輸入。輸入端必須有其保護(hù)二極管。 工作原理如下: 3.3V(非5V容限IC)的輸入通常由二極管保護(hù):一個(gè)朝向VDD,另一個(gè)朝向GND,如下圖所示。這些二極管通常為關(guān)斷,因?yàn)樗鼈兌际欠聪蚱玫摹5?,如果嘗試輸入大于VDD,3.3V的電壓,它們會(huì)將輸入電壓箝位為VDD,3.3V(加上正向二極管電壓,通常為0.7V)。由于開(kāi)關(guān)器件的電容耦合或振鈴,即使在僅3.3V的系統(tǒng)上,也可能發(fā)生大于VDD,3.3V的瞬態(tài)尖峰。

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當(dāng)5V信號(hào)通過(guò)電阻饋送到輸入端時(shí),二極管將導(dǎo)通:電阻限制流入引腳的電流,保護(hù)輸入。進(jìn)入引腳的最大電流有時(shí)會(huì)在數(shù)據(jù)表中注明,并且應(yīng)保持較低水平,原因有兩個(gè):

除了漏電流外,沒(méi)有電流會(huì)流入引腳。由于閂鎖現(xiàn)象,可能會(huì)發(fā)生損壞。

流入輸入引腳的電流將從VDD引腳流出!如果這樣的電流太大,可能會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的VDD電壓,破壞IC。如果系統(tǒng)的電流消耗大于流入PIN的電流,那么應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題。否則,建議在VDD,3.3V和GND之間放置一個(gè)虛擬負(fù)載。負(fù)載的值應(yīng)使其至少吸附流入所有輸入的電流。

要計(jì)算,只需將輸入電流視為I=(5V-3.3V)/RS。然后在VDD,3.3V和GND之間放置一個(gè)電阻,使其將吸收相同的電流I。換句話說(shuō):RLOAD = RS 3.3V (5V-3.3V) 或約 2 RS。如果有多個(gè)輸入,則必須相應(yīng)地降低 RLOAD。如果您的系統(tǒng)已經(jīng)從3.3V吸收“I”(例如,由于IC電流消耗或存在始終接通的LED),那么您可以省略或增加RLOAD。. 該解決方案還有另一個(gè)缺點(diǎn):除非使用低值電阻,否則它會(huì)嚴(yán)重限制帶寬。事實(shí)上,輸入引腳和走線都會(huì)有一定的寄生電容.

優(yōu)勢(shì):

簡(jiǎn)單的解決方案:每個(gè)輸入引腳只有一個(gè)電阻。

劣勢(shì):

高功率使用率(使用低值電阻器)或低帶寬(高值電阻器)。

輸出過(guò)載(使用低值電阻器)

進(jìn)入輸入端的電流可能會(huì)導(dǎo)致鎖存。

如果 3.3V 系統(tǒng)具有非常低的最小電流消耗,則需要在 3.3V 電源上使用一個(gè)外部負(fù)載電阻器。

3.3V電源上可能由于電流注入而產(chǎn)生噪聲。

3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。

3、串聯(lián)電阻器,帶有朝向 3.3V線路的外部肖特基二極管箝位

該電路與以前的解決方案類似,但可以實(shí)現(xiàn)更快的速度,因?yàn)榇蟛糠蛛娏鲗⒂尚ぬ鼗O管承載,而不是保護(hù)二極管。 這仍然有將電流饋送到VDD,3.3V線的缺點(diǎn)。因此,系統(tǒng)必須“消耗”這種電流,如前一種情況所示。

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優(yōu)勢(shì):

可實(shí)現(xiàn)更大的帶寬。

注入輸入引腳的電流可忽略不計(jì)。

劣勢(shì):

每個(gè)輸入需要兩個(gè)元件(電阻和肖特基二極管)。

高功率使用率(使用低值電阻器)或低帶寬(高值電阻器)。

輸出過(guò)載(使用低值電阻器)

如果 3.3V 系統(tǒng)具有非常低的最小電流消耗,則需要在 3.3V 電源上使用一個(gè)外部負(fù)載電阻器。

3.3V電源上可能由于電流注入而產(chǎn)生噪聲。

還必須考慮二極管的電容。

3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。

4、帶有源鉗位的串聯(lián)電阻器。

與其將輸入電流重定向到VDD,3.3V,不如將其耗散到地,這樣就不會(huì)發(fā)生VDD,3.3V電平變化。

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當(dāng)輸入電壓大于3.9V時(shí),PNP BJT將持續(xù)傳導(dǎo)。該解決方案允許使用更小的電阻(更高的帶寬)。 值得注意的是,仍然有電流注入VDD,3.3V,但是,這種電流將比流入RS的電流小很多倍。

另一個(gè)問(wèn)題是,在某些IC上,當(dāng)輸入端的值比3.3V電平低至0.35V時(shí),它們的保護(hù)二極管開(kāi)始導(dǎo)通。在這種情況下,BJT基極不應(yīng)連接到3.3V,而應(yīng)連接到稍小的電壓(如果系統(tǒng)上可用)。

優(yōu)勢(shì):

可實(shí)現(xiàn)更大的帶寬。

注入3.3V電源線的電流非常小。

小電流注入輸入引腳。

劣勢(shì):

每個(gè)輸入需要兩個(gè)元件(電阻和雙極型晶體管)。

高功率使用率(使用低值電阻器)或低帶寬(高值電阻器)。

輸出過(guò)載(使用低值電阻器)

如果3.3V系統(tǒng)具有極低的最小電流消耗,則仍可能需要在3.3V電源上使用外部負(fù)載電阻。

由于電流注入3.3V電源,3.3V電源上仍可能存在噪聲。

在某些情況下,可能需要另一個(gè)電源(低于3.3V)將電壓箝位到輸入保護(hù)二極管的導(dǎo)通電壓以下。

BJT的電容仍然必須考慮在內(nèi)。

3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。

箝位電壓可能過(guò)高(約3.9V)??赡苄枰硪粋€(gè)電壓源(小于3.3V)。

5、電阻器和齊納二極管

我們可以不使用BJT,而是使用齊納二極管,它將電壓削波到Vz值。問(wèn)題在于,低值齊納二極管具有相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)電阻,并且必須有大電流流入齊納二極管,才能實(shí)際顯示Vz值(幾mA)。

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優(yōu)勢(shì):

帶寬類似于肖特基或有源箝位解決方案,因?yàn)榭梢允褂玫椭惦娮琛?/p>

沒(méi)有電流注入3.3V電源線。

沒(méi)有電流注入輸入引腳。

比BJT或肖特基的成本更低。

箝位電壓可以低于BJT。

劣勢(shì):

每個(gè)輸入需要兩個(gè)元件(電阻和齊納二極管)。

高功率使用率(使用低值電阻器)或低帶寬(高值電阻器)。

輸出過(guò)載(使用低值電阻器)

還必須考慮二極管的電容。

輸出電壓并不精確,因?yàn)橐恍┑椭谍R納二極管的動(dòng)態(tài)電阻非常差。

3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。

6、帶上拉電阻的串聯(lián)二極管。

如果您的3.3V系統(tǒng)接受高達(dá)0.7V的低電平輸入電壓,則可以使用普通的1N4148二極管,如下所示。如果您想要更大的噪聲裕量(或者如果只是0.7V太高),請(qǐng)改用肖特基二極管。 工作原理很簡(jiǎn)單:當(dāng)5V系統(tǒng)輸出5V時(shí),二極管反極化,因此是開(kāi)路的。3.3V系統(tǒng)的輸入通過(guò)R1被上拉至3.3V。然后5V系統(tǒng)輸出0V,二極管正向偏置,因此3.3V輸入端的電壓將是二極管的正向壓降:硅二極管約為0.6-0.7V,肖特基二極管約為0.35V。切記使用快速信號(hào)二極管?。床灰褂?N4007?。?/p>

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優(yōu)勢(shì):

帶寬類似于肖特基箝位解決方案,因?yàn)榭梢允褂玫椭瞪侠娮琛?/p>

沒(méi)有電流注入3.3V電源線。

沒(méi)有電流注入輸入引腳。

劣勢(shì):

每個(gè)輸入需要兩個(gè)元件(電阻和二極管)。

高功率使用率(使用低值電阻器)或低帶寬(高值電阻器)。

輸出過(guò)載(使用低值電阻器)

還必須考慮二極管的電容。

低電平輸出電壓是二極管的正向壓降。

3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。

7、電阻分壓器

降低5V電壓的一種簡(jiǎn)單方法是通過(guò)電阻分壓器!

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電阻分壓器相對(duì)于單個(gè)電阻表現(xiàn)更好。給定相同的帶寬,與已經(jīng)檢查過(guò)的其他解決方案相比,它消耗的更少(直接連接除外?。?/p>

優(yōu)勢(shì):

相對(duì)于其他系統(tǒng)(直接連接除外)而言,在相同消耗(或相同帶寬下消耗較小)的帶寬更好。

沒(méi)有電流注入3.3V電源線。

沒(méi)有電流注入輸入引腳。

成本低于 BJT、肖特基或齊納。

對(duì)稱上升/下降時(shí)間。

劣勢(shì)

每個(gè)輸入需要兩個(gè)元件(兩個(gè)電阻)。

高功率使用率(使用低值電阻)或低帶寬(高值電阻)。

輸出過(guò)載(使用低值電阻器)

3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。

8、雙極型晶體管/MOSFET 作為逆變器

如果您可以接收反相信號(hào),則可以使用BJT或MOSFET。

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帶寬主要由上拉電阻和寄生電容(必須包括BJT/MOSFET的電容!)決定。

優(yōu)勢(shì):

沒(méi)有電流注入3.3V電源線。

無(wú)輸出過(guò)載。

沒(méi)有電流注入輸入引腳。

劣勢(shì):

每個(gè)輸入需要兩個(gè)或三個(gè)元件(BJT/MOSFET和一個(gè)或兩個(gè)電阻器)。

高功耗(使用低值上拉電阻)

反轉(zhuǎn)輸出!

3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。

9、兩個(gè)級(jí)聯(lián)的雙極型晶體管/MOSFET作為緩沖器。

您可以級(jí)聯(lián)兩個(gè)以前的 BJT/MOSFET 電阻器逆變器。這樣,輸出就不會(huì)反轉(zhuǎn)。

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優(yōu)勢(shì):

沒(méi)有電流注入3.3V電源線。

無(wú)輸出過(guò)載。

沒(méi)有電流注入輸入引腳。

邏輯電平不會(huì)反轉(zhuǎn)。

劣勢(shì):

需要很多組件!

高功耗(使用低值上拉電阻)

3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。

與前一種情況相比,帶寬較小,因?yàn)閮杉?jí)級(jí)聯(lián)。

10、開(kāi)漏/耦合器輸出端上的上拉電阻

僅當(dāng)輸出為集電極/漏極開(kāi)路時(shí),此方法才有效。

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這與“BJT/MOSFET作為逆變器”非常相似。由于輸出是漏極開(kāi)路,因此必須插入一個(gè)上拉電阻。

優(yōu)勢(shì):

需要單個(gè)電阻器。

沒(méi)有電流注入引腳。

沒(méi)有電流注入3.3V線路。

劣勢(shì):

高功率使用率(使用低值電阻器)或低帶寬(高值電阻器)。

3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。

11、邏輯IC(緩沖器、柵極等),具有漏極開(kāi)路/集電極輸出。

您可以連接漏極開(kāi)路/集電極緩沖器/柵極IC,外加一個(gè)上拉電阻,如下所示。緩沖器/柵極由5V供電,因此可接受5V。

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優(yōu)勢(shì):

沒(méi)有電流注入引腳。

沒(méi)有電流注入3.3V線路。

劣勢(shì):

高功率使用率(使用低值電阻器)或低帶寬(高值電阻器)。

該解決方案需要一個(gè)緩沖器和一個(gè)電阻器。

3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。

12、增加具有 5V 容限輸入的 3.3V 供電邏輯 IC(緩沖器、柵極等)

您可以連接一個(gè) 5V 容限 IC,供電電壓為 3.3V,例如 SN74LV1T34。

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優(yōu)勢(shì):

沒(méi)有電流注入引腳。

沒(méi)有電流注入3.3V線路。

低功耗。

快。

高噪聲裕量。

劣勢(shì):

成本和空間

13、MOSFET 系列(通用柵極配置)

我們可以使用公共柵極配置,而不是在公共源配置中使用MOSFET。MOSFET實(shí)際上將是串聯(lián)的。MOSFET 必須是 2.5V 邏輯電平 MOSFET,否則將無(wú)法工作。

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電路的工作原理如下。 當(dāng)Vin為5V時(shí),MOSFET將關(guān)閉,因?yàn)閂GS = 0V(被R2束縛)。當(dāng)Vin為0V時(shí),由于MOSFET的漏體寄生二極管,輸出最初將變?yōu)?.7V。因此,VGS將變?yōu)?.3V-0.7V = 2.6V。由于這是一個(gè)2.5V邏輯電平MOSFET,MOSFET將導(dǎo)通,現(xiàn)在有效地充當(dāng)短路。輸出為0V。 正如我們將在“連接3.3V至5V系統(tǒng)”中所示,該電路也可以雙向工作,即它將3.3V信號(hào)轉(zhuǎn)換為5V信號(hào)!

優(yōu)勢(shì):

沒(méi)有電流注入3.3V電源線。

沒(méi)有電流注入輸入引腳。

非反相輸出。

可以是雙向的。

劣勢(shì):

每個(gè)輸入需要兩個(gè)元件(MOSFET和一個(gè)電阻器)。

高功耗(使用低值上拉電阻)

輸出過(guò)載(使用低值上拉電阻)

還必須考慮MOSFET的電容。

需要一個(gè) 2.5V 邏輯電平 MOSFET。

3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。

14、雙極型晶體管系列(通用底座配置)

也可以使用BJT,但發(fā)射器必須在5V側(cè)(MOSFET的源極是在3.3V側(cè)!

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其工作原理如下:當(dāng)輸入為5V時(shí),VBE=-1.7,因此BJT為OFF。3.3V側(cè)上拉。當(dāng)VIN為0V時(shí),基極-發(fā)射極結(jié)將正向極化,BJT將導(dǎo)通,將“0”邏輯電平傳輸?shù)?.3V側(cè)。

優(yōu)勢(shì):

沒(méi)有電流注入3.3V電源線。

沒(méi)有電流注入輸入引腳。

非反相輸出。

劣勢(shì):

每個(gè)輸入需要三個(gè)元件(BJT和兩個(gè)電阻)。

高功耗(使用低值上拉電阻)

輸出過(guò)載(使用低值上拉電阻)

BJT的電容仍然必須考慮在內(nèi)。

VCE,sat被添加到低值輸出中。

3.3V輸入必須具有高阻抗(小輸入泄漏,如CMOS)。

15、電平轉(zhuǎn)換器

為了實(shí)現(xiàn)最快的速度、最低的功耗和更好的信號(hào)電平,您可以使用電平轉(zhuǎn)換器 IC,如 74LVC8T245(8 位)或 74LVC1T45(1 位)。然而,它們成本很高,占用空間,并且需要另外兩個(gè)去耦電容(原理圖中未顯示)。 通常,電平轉(zhuǎn)換器具有不同數(shù)量的輸入/輸出,它們也可以是雙向的(由數(shù)據(jù)方向控制或自動(dòng)控制)。

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優(yōu)勢(shì):

沒(méi)有電流注入3.3V電源線。

沒(méi)有電流注入輸入引腳。

非反相輸出(也有反相轉(zhuǎn)換器)。

無(wú)輸出過(guò)載。

非常高的帶寬。

良好的信號(hào)水平。

收發(fā)器的輸出也可以加載。

靜態(tài)功耗可忽略不計(jì)。

劣勢(shì):

成本(電平轉(zhuǎn)換器比一對(duì)電阻器或MOSFET/二極管貴得多)。

所需的空間(特別是在需要很少輸入的情況下)。

16、光耦合器/隔離器

當(dāng)您需要連接兩個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng),或者當(dāng)您需要在同一電路/系統(tǒng)的兩個(gè)部分之間進(jìn)行電氣絕緣時(shí),這種技術(shù)特別有用,并推薦使用。當(dāng)處理遠(yuǎn)高于5V(例如24V)的電壓時(shí),它也非常有用。 請(qǐng)注意,這兩個(gè)系統(tǒng)也可能共享相同的接地,但是,在這種情況下,您將失去它們之間的電氣絕緣。 在下面的原理圖中,我們展示了一個(gè)帶有晶體管輸出的標(biāo)準(zhǔn)光耦合器。有些光耦合器已經(jīng)提供了數(shù)字,并且在某些情況下不需要Rpu(檢查輸出是否為集電極開(kāi)路)。 最近,其他類型的隔離器已經(jīng)問(wèn)世。這些不是基于光學(xué)的,而是基于電容式,巨磁阻或磁耦合。這些通常更快,但要貴得多。 在所有這些具有直接數(shù)字輸出的光耦合器/隔離器中,只能使用反相和非反相配置的第一個(gè)版本(即光耦合器連接在3.3V系統(tǒng)的輸入和地之間)。

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優(yōu)勢(shì):

兩個(gè)系統(tǒng)之間的電氣絕緣。它不僅提供更好的噪聲性能,而且還提高了系統(tǒng)的安全性。

允許將任何電壓電平轉(zhuǎn)換為“任何”電壓電平。

通過(guò)正確選擇接地或電源(取決于配置),您可以實(shí)現(xiàn)其他類型的電壓轉(zhuǎn)換(例如-12V...+12V至0...3.3V轉(zhuǎn)換)。

劣勢(shì):

它需要一個(gè)光耦合器。

標(biāo)準(zhǔn)光耦合器通常速度較慢。對(duì)于高數(shù)據(jù)速率,需要特殊的“高速”光耦合器。

由于內(nèi)部LED,電流消耗相對(duì)較高。

如果需要高帶寬,則功耗較高,因?yàn)槿绻枰^小的上升/下降時(shí)間,則Rpu/Rpd需要相當(dāng)小。

以上16種方法,您更喜歡哪種方法?

審核編輯:黃飛

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原文標(biāo)題:16種實(shí)用的將5V輸出連接到3.3V輸入的方法

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