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)動為低時，不會有問題，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， 4.7 伏的 VOH 大于 2.1 伏 VIH，所以，我們可以直接把兩個引腳相連，不會有沖突，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保護(hù)器件的 I/O 引腳，防止引腳上的電壓超過最大允許電壓規(guī)范。鉗位二極管使引腳上的電壓不會低于 Vss 超過一個二極管壓降，也不會高于 VDD 超過一個二極管壓降。要使用鉗位二極管來保護(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)量級上）。如果流經(jīng)鉗位二極管的電流過大，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 時間常數(shù)。
如果沒有鉗位二極管，可以在電流中添加一個外部二極管，如圖所示。
使用二極管鉗位有一個問題，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使 3.3V 電源電壓超過 3.3V。為了避免這個問題，可以用一個三極管來替代，三極管使過量的輸出驅(qū)動電流流向地，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，再從集電極無害地流入地。基極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 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 R2 的影響。
在功耗和瞬態(tài)時間之間存在取舍權(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）可能會對輸入信號的上升和下降時間產(chǎn)生不利影響。如果 R1 和 R2 過大，上升和下降時間可能會過長而無法接受。
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間的公式。為便于電路分析，使用戴維寧等效計(jì)算來確定外加電壓 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)的信號幅值。
要將 5V 模擬信號轉(zhuǎn)換為 3.3V 模擬信號，最簡單的方法是使用 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題。
1）衰減器可能會接至容性負(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)動低阻抗負(fù)載。
無論是哪種情形，都需要運(yùn)算放大器用以緩沖信號。
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 信號轉(zhuǎn)換為較低的 3V 信號，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 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 信號傳送給 3.3V 系統(tǒng)時，有時可以將衰減用作增益。如果期望的信號小于 5V，那么把信號直接送入 3.3V ADC 將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)換值。當(dāng)信號接近 5V 時就會出現(xiàn)危險(xiǎn)。所以，需要控制電壓越限的方法，同時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)行過電壓鉗位的最簡單的方法，與將 5V 數(shù)字信號連接至 3.3V 數(shù)字信號的簡單方法完全相同。使用電阻和二極管，使過量電流流入 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，同時還不會對模擬性能造成負(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，以及在頻率足夠高的情況下，當(dāng)二極管沒有導(dǎo)通時 （由于有跨越二極管的寄生電容），此類鉗位都將使輸入信號向 3.3V 電源施加噪聲。
為了防止輸入信號對電源造成影響，或者為了使輸入應(yīng)對較大的瞬態(tài)電流時更為從容，對前述方法稍加變化，改用齊納二極管。齊納二極管的速度通常要比第一個電路中所使用的快速信號二極管慢。不過，齊納鉗位一般來說更為結(jié)實(shí)，鉗位時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電壓鉗位，可以使用運(yùn)放來得到精密二極管。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。
由于鉗位是通過運(yùn)放來進(jìn)行的，不會影響到電源。
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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