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標(biāo)準(zhǔn)三端線性穩(wěn)壓器的壓差通常是 2.0-3.0V。要把 5V 可靠地轉(zhuǎn)換為 3.3V，就不能使用它們。壓差為幾百個(gè)毫伏的低壓降 （Low Dropout， LDO）穩(wěn)壓器，是此類應(yīng)用的理想選擇。圖 1-1 是基本LDO 系統(tǒng)的框圖，標(biāo)注了相應(yīng)的電流。從圖中可以看出， LDO 由四個(gè)主要部分組成：

技巧一

使用LDO穩(wěn)壓器，從5V電源向3.3V系統(tǒng)供電

標(biāo)準(zhǔn)三端線性穩(wěn)壓器的壓差通常是 2.0-3.0V。要把 5V 可靠地轉(zhuǎn)換為 3.3V，就不能使用它們。壓差為幾百個(gè)毫伏的低壓降 （Low Dropout， LDO）穩(wěn)壓器，是此類應(yīng)用的理想選擇。圖 1-1 是基本LDO 系統(tǒng)的框圖，標(biāo)注了相應(yīng)的電流。從圖中可以看出， LDO 由四個(gè)主要部分組成：

1. 導(dǎo)通晶體管
2. 帶隙參考源
3. 運(yùn)算放大器
4. 反饋電阻分壓器

在選擇 LDO 時(shí)，重要的是要知道如何區(qū)分各種LDO。器件的靜態(tài)電流、封裝大小和型號(hào)是重要的器件參數(shù)。根據(jù)具體應(yīng)用來確定各種參數(shù)，將會(huì)得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)。

LDO的靜態(tài)電流IQ是器件空載工作時(shí)器件的接地電流 IGND。IGND 是 LDO 用來進(jìn)行穩(wěn)壓的電流。當(dāng)IOUT>>IQ 時(shí)， LDO 的效率可用輸出電壓除以輸入電壓來近似地得到。然而，輕載時(shí)，必須將 IQ 計(jì)入效率計(jì)算中。具有較低 IQ 的 LDO 其輕載效率較高。輕載效率的提高對(duì)于 LDO 性能有負(fù)面影響。靜態(tài)電流較高的 LDO 對(duì)于線路和負(fù)載的突然變化有更快的響應(yīng)。

技巧二

采用齊納二極管的低成本供電系統(tǒng)

這里詳細(xì)說明了一個(gè)采用齊納二極管的低成本穩(wěn)壓器方案。

可以用齊納二極管和電阻做成簡(jiǎn)單的低成本 3.3V穩(wěn)壓器，如圖 2-1 所示。在很多應(yīng)用中，該電路可以替代 LDO 穩(wěn)壓器并具成本效益。但是，這種穩(wěn)壓器對(duì)負(fù)載敏感的程度要高于 LDO 穩(wěn)壓器。另外，它的能效較低，因?yàn)?R1 和 D1 始終有功耗。R1 限制流入D1 和 PICmicro? MCU的電流，從而使VDD 保持在允許范圍內(nèi)。由于流經(jīng)齊納二極管的電流變化時(shí)，二極管的反向電壓也將發(fā)生改變，所以需要仔細(xì)考慮 R1 的值。

R1 的選擇依據(jù)是：在最大負(fù)載時(shí)——通常是在PICmicro MCU 運(yùn)行且驅(qū)動(dòng)其輸出為高電平時(shí)——R1上的電壓降要足夠低從而使PICmicro MCU有足以維持工作所需的電壓。同時(shí)，在最小負(fù)載時(shí)——通常是 PICmicro MCU 復(fù)位時(shí)——VDD 不超過齊納二極管的額定功率，也不超過 PICmicro MCU的最大 VDD。

技巧三

采用3個(gè)整流二極管的更低成本供電系統(tǒng)

技巧四

使用開關(guān)穩(wěn)壓器，從5V電源向3.3V系統(tǒng)供電

如圖 4-1 所示，降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種基于電感的轉(zhuǎn)換器，用來把輸入電壓源降低至幅值較低的輸出電壓。輸出穩(wěn)壓是通過控制 MOSFET Q1 的導(dǎo)通（ON）時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。由于 MOSFET 要么處于低阻狀態(tài)，要么處于高阻狀態(tài) （分別為 ON 和OFF），因此高輸入源電壓能夠高效率地轉(zhuǎn)換成較低的輸出電壓。

當(dāng) Q1 在這兩種狀態(tài)期間時(shí)，通過平衡電感的電壓- 時(shí)間，可以建立輸入和輸出電壓之間的關(guān)系。

數(shù)字連接

技巧五

3.3V →5V直接連接

將 3.3V 輸出連接到 5V 輸入最簡(jiǎn)單、最理想的方法是直接連接。直接連接需要滿足以下 2 點(diǎn)要求：
? 3.3V輸出的 VOH 大于 5V 輸入的 VIH
? 3.3V輸出的 VOL 小于 5V 輸入的 VIL

能夠使用這種方法的例子之一是將 3.3V LVCMOS輸出連接到 5V TTL 輸入。從表 4-1 中所給出的值可以清楚地看到上述要求均滿足。

3.3V LVCMOS 的 VOH （3.0V）大于 5V TTL 的VIH （2.0V）且3.3V LVCMOS 的 VOL （0.5V）小于 5V TTL 的VIL （0.8V）。

如果這兩個(gè)要求得不到滿足，連接兩個(gè)部分時(shí)就需要額外的電路。可能的解決方案請(qǐng)參閱技巧 6、7、 8 和 13。

技巧六

3.3V→5V使用MOSFET轉(zhuǎn)換器

如果 5V 輸入的 VIH 比 3.3V CMOS 器件的 VOH 要高，則驅(qū)動(dòng)任何這樣的 5V 輸入就需要額外的電路。圖 6-1 所示為低成本的雙元件解決方案。

在選擇 R1 的阻值時(shí)，需要考慮兩個(gè)參數(shù)，即：輸入的開關(guān)速度和 R1 上的電流消耗。當(dāng)把輸入從 0切換到 1 時(shí)，需要計(jì)入因 R1 形成的 RC 時(shí)間常數(shù)而導(dǎo)致的輸入上升時(shí)間、 5V 輸入的輸入容抗以及電路板上任何的雜散電容。輸入開關(guān)速度可通過下式計(jì)算：

技巧七

3.3V→5V使用二極管補(bǔ)償

表 7-1 列出了 5V CMOS 的輸入電壓閾值、 3.3VLVTTL 和 LVCMOS 的輸出驅(qū)動(dòng)電壓。

技巧八

3.3V→5V使用電壓比較器

計(jì)算 R1 和 R2

技巧九

5V→3.3V直接連接

技巧十

5V→3.3V使用二極管鉗位

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(huì)低于 Vss 超過一個(gè)二極管壓降，也不會(huì)高于 VDD 超過一個(gè)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(jí)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(gè)電阻，限制流經(jīng)鉗位二極管的電流，如圖 10-1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)。

技巧十一

5V→3.3V有源鉗位

技巧十二

5V→3.3V電阻分壓器

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

技巧十三

3.3V→5V電平轉(zhuǎn)換器

模擬
3.3V 至 5V 接口的最后一項(xiàng)挑戰(zhàn)是如何轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)，使之跨越電源障礙。低電平信號(hào)可能不需要外部電路，但在 3.3V 與 5V 之間傳送信號(hào)的系統(tǒng)則會(huì)受到電源變化的影響。例如，在 3.3V 系統(tǒng)中，ADC轉(zhuǎn)換1V峰值的模擬信號(hào)，其分辨率要比5V系統(tǒng)中 ADC 轉(zhuǎn)換的高，這是因?yàn)樵?3.3V ADC 中，ADC 量程中更多的部分用于轉(zhuǎn)換。但另一方面，3.3V 系統(tǒng)中相對(duì)較高的信號(hào)幅值，與系統(tǒng)較低的共模電壓限制可能會(huì)發(fā)生沖突。

因此，為了補(bǔ)償上述差異，可能需要某種接口電路。本節(jié)將討論接口電路，以幫助緩和信號(hào)在不同電源之間轉(zhuǎn)換的問題。

技巧十四

3.3V→5V模擬增益模塊

技巧十五

3.3V→5V模擬補(bǔ)償模塊

該模塊用于補(bǔ)償 3.3V 轉(zhuǎn)換到 5V 的模擬電壓。下面是將 3.3V 電源供電的模擬電壓轉(zhuǎn)換為由 5V電源供電。右上方的 147 kΩ、 30.1 kΩ 電阻以及+5V 電源，等效于串聯(lián)了 25 kΩ 電阻的 0.85V 電壓源。這個(gè)等效的 25 kΩ 電阻、三個(gè) 25 kΩ 電阻以及運(yùn)放構(gòu)成了增益為 1 V/V 的差動(dòng)放大器。0.85V等效電壓源將出現(xiàn)在輸入端的任何信號(hào)向上平移相同的幅度；以 3.3V/2 = 1.65V 為中心的信號(hào)將同時(shí)以 5.0V/2 = 2.50V 為中心。左上方的電阻限制了來自 5V 電路的電流。

技巧十六

5V→3.3V有源模擬衰減器

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。

技巧十七

5V→3.3V模擬限幅器

技巧十八

驅(qū)動(dòng)雙極型晶體管

3V 技術(shù)示例：

技巧十九

驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFET晶體管

在選擇與 3.3V 單片機(jī)配合使用的外部 N 溝道MOSFET 時(shí)，一定要小心。MOSFET 柵極閾值電壓表明了器件完全飽和的能力。對(duì)于 3.3V 應(yīng)用，所選 MOSFET 的額定導(dǎo)通電阻應(yīng)針對(duì) 3V 或更小的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。例如，對(duì)于具有 3.3V 驅(qū)動(dòng)的100 mA負(fù)載，額定漏極電流為250 μA的FET在柵極 - 源極施加 1V 電壓時(shí)，不一定能提供滿意的結(jié)果。在從 5V 轉(zhuǎn)換到 3V 技術(shù)時(shí)，應(yīng)仔細(xì)檢查柵極- 源極閾值和導(dǎo)通電阻特性參數(shù)，如圖 19-1 所示。稍微減少柵極驅(qū)動(dòng)電壓，可以顯著減小漏電流。

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