在我們?cè)O(shè)計(jì)的電路中，不同的芯片對(duì)其引腳使用不同的電壓，如常見(jiàn)的1.8V、3.3V、5V等。在兩個(gè)不同電壓芯片的引腳之間進(jìn)行通信時(shí)，我們需要確保電壓的兩側(cè)滿(mǎn)足我們自己的需求并且能夠正常通信，這被稱(chēng)為電平轉(zhuǎn)換。
因?yàn)椴煌妷旱男酒g的通信存在電平失配的問(wèn)題，如果通信兩端的電壓差太大，也可能會(huì)損壞芯片引腳，所以我們需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換電路優(yōu)化。
一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)我們進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)時(shí)，我們主要考慮信號(hào)傳輸?shù)乃俣群托盘?hào)的方向。常見(jiàn)的電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)方案有以下有幾種方式：
二極管電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)原理
使用此電路需要注意轉(zhuǎn)換的方向，高電壓端和低電壓端不可調(diào)換。
當(dāng)輸入端3.3V為低電平時(shí)，D1導(dǎo)通，輸出端 1.8V為低電平，實(shí)現(xiàn)兩端都為低電平。當(dāng)輸入端 3.3V為高電平時(shí)，D1截止，輸出端被 R1 上拉至 1.8V ，為高電平，實(shí)現(xiàn)兩端都為高電平。
三極管實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，跟二極管類(lèi)似，也需要注意轉(zhuǎn)換的方向，如下圖2所示：
三極管電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)原理
1、左IN是輸入，右OUT是輸出，VDDA和VDDB是兩個(gè)相互轉(zhuǎn)換的不同電壓域。當(dāng)IN輸入0V時(shí)，晶體管Q1導(dǎo)通，OUT被下拉到接近0V的電平，實(shí)現(xiàn)低電平轉(zhuǎn)換；當(dāng)IN輸入高電平（VDDA）時(shí)，晶體管Q1關(guān)斷，OUT被上拉到VDDB，從而實(shí)現(xiàn)高電平轉(zhuǎn)換。該電路屬于單向轉(zhuǎn)換電路，具有IN輸入和OUT輸出的轉(zhuǎn)換方向，簡(jiǎn)單易用。
2、當(dāng)輸入IN處于低電平時(shí)，晶體管Q1關(guān)斷，晶體管Q2導(dǎo)通，輸出OUT被拉低，從而實(shí)現(xiàn)低電平轉(zhuǎn)換；當(dāng)輸入IN處于高電平時(shí)（VDDA），晶體管Q1導(dǎo)通，導(dǎo)致晶體管Q2被拉低并關(guān)斷。因此，輸出OUT被R4拉高到VDDB，實(shí)現(xiàn)高電平轉(zhuǎn)換。該電平轉(zhuǎn)換電路只能實(shí)現(xiàn)左IN輸入和右OUT輸出，不能進(jìn)行逆變。但它會(huì)影響整個(gè)電路的延遲和轉(zhuǎn)換速度，不適用于高波特率（大于400Kbps，就不建議使用了）。
三極管電平轉(zhuǎn)換電路
NMOS管電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)原理
1、當(dāng)S(即TXD_1V8)輸出高電平時(shí)，MOS管Q4的Vgs=0，MOS管關(guān)閉，D(即UART1_RXD)被電阻R42上拉到3.3V；
2、當(dāng)S(即TXD_1V8)輸出低電平時(shí)，MOS管Q4的Vgs=1.8V，大于導(dǎo)通電壓閾值，MOS管導(dǎo)通，Net2通過(guò)MOS管被拉低到低電平；
3、當(dāng)D(即UART1_RXD)輸出高電平時(shí)，MOS管Q4的Vgs不變，MOS管維持關(guān)閉狀態(tài)，S(即TXD_1V8)被電阻R37上拉到1.8V；
4、當(dāng)D(即UART1_RXD)輸出低電平時(shí)，MOS管Q4不導(dǎo)通，MOS管先經(jīng)過(guò)體二極管把S(即TXD_1V8)拉低到低電平，此時(shí)Vgs≈1.8V，MOS管導(dǎo)通，進(jìn)一步拉低S(即TXD_1V8)的電壓；
高電壓 ＞低電壓– 0.7V，否則在D→S傳輸高電平時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，即Vs = Vd+ 0.7，此時(shí)的Vs < VCC；需要注意MOS管的Vgs導(dǎo)通電壓，一般涉及到1.8V的電路需要注意器件選型； PMOS管只能實(shí)現(xiàn)單向的電平轉(zhuǎn)換，不能雙向。
NMOS雙向電路適用于低頻信號(hào)轉(zhuǎn)換。由于雙向NMOS電路的電導(dǎo)電阻較大，適用于低頻信號(hào)電平轉(zhuǎn)換，并且價(jià)格低廉。NMOS雙向電路設(shè)計(jì)的制造成本較低，因此價(jià)格相對(duì)較低。導(dǎo)通后壓降比小于三極管。因此在一些需對(duì)電壓要求高的應(yīng)用場(chǎng)景中，NMOS管電路更適合。正反雙向?qū)?，相?dāng)于機(jī)械開(kāi)關(guān)。雙向NMOS電路可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于機(jī)械開(kāi)關(guān)的正反雙向電導(dǎo)，因此在一些需要頻繁切換的應(yīng)用場(chǎng)景中，雙向NMOS電路也具有優(yōu)勢(shì)。需要注意的是，NMOS雙向電路的具體實(shí)現(xiàn)方式可能因應(yīng)用場(chǎng)景和器件特性而有所不同。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求選擇合適的電路拓?fù)浜推骷?shù)。
問(wèn)題描述：電平轉(zhuǎn)換器芯片無(wú)法正常輸出信號(hào)。
解決辦法：
檢查供電情況：確保芯片的供電電壓在規(guī)定范圍內(nèi)并穩(wěn)定。
檢查引腳連接：確保芯片的引腳連接正確穩(wěn)固。
檢查負(fù)載電路：確保負(fù)載電路的電氣特性符合要求。
更換芯片：如上述都無(wú)問(wèn)題，可能是芯片本身故障，需更換新的芯片進(jìn)行測(cè)試。
問(wèn)題描述：電平轉(zhuǎn)換器芯片輸出信號(hào)波形失真。
解決辦法：
檢查信號(hào)線路連接：確保信號(hào)線路的連接正確穩(wěn)固。
檢查信號(hào)線路屏蔽和接地：確保信號(hào)線路質(zhì)量良好。
更換芯片：如上述都無(wú)問(wèn)題，可能是芯片本身故障，需更換新的芯片進(jìn)行測(cè)試。
問(wèn)題描述：電平轉(zhuǎn)換器芯片工作溫度異常。
解決辦法：
檢查散熱情況：確保芯片的散熱措施有效。
檢查工作環(huán)境：確保工作溫度和濕度在規(guī)定范圍內(nèi)。
更換芯片：如上述都無(wú)問(wèn)題，可能是芯片本身質(zhì)量問(wèn)題，需更換新的芯片進(jìn)行測(cè)試。
問(wèn)題描述：電平轉(zhuǎn)換器芯片的電氣特性不穩(wěn)定。
解決辦法：
檢查供電電壓質(zhì)量：確保紋波和噪聲在規(guī)定范圍內(nèi)。
檢查工作環(huán)境：確保工作溫度和濕度在規(guī)定范圍內(nèi)。
更換芯片：如上述都無(wú)問(wèn)題，可能是芯片本身質(zhì)量問(wèn)題，需更換新的芯片進(jìn)行測(cè)試。
問(wèn)題描述：電平轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障時(shí)，通常表現(xiàn)為信號(hào)傳輸錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)不一致、設(shè)備無(wú)法正常通信等問(wèn)題。
解決辦法：
確認(rèn)故障現(xiàn)象：觀察設(shè)備工作狀態(tài)，確認(rèn)具體是哪部分電路出現(xiàn)問(wèn)題。
檢查輸入輸出電壓：檢查電平轉(zhuǎn)換器的輸入輸出電壓是否正確，是否符合其規(guī)格說(shuō)明。
監(jiān)測(cè)信號(hào)波形和時(shí)序：使用示波器監(jiān)測(cè)信號(hào)的波形和時(shí)序，判斷是否有噪聲干擾、過(guò)沖或欠沖現(xiàn)象。
檢查電路板布局：評(píng)估信號(hào)線布線是否合理，是否存在信號(hào)完整性問(wèn)題。
問(wèn)題描述：電阻分壓型電路驅(qū)動(dòng)能力不足，導(dǎo)致信號(hào)波形失真。
解決辦法：
改用MOSFET或?qū)Ｓ眯酒弘娮璺謮弘娐冯m然成本低，但在驅(qū)動(dòng)能力不足的情況下，可以考慮改用MOSFET或?qū)Ｓ秒娖睫D(zhuǎn)換芯片。
問(wèn)題描述：MOSFET電路未正確偏置，導(dǎo)致雙向通信時(shí)數(shù)據(jù)沖突。
解決辦法：
檢查上拉電阻是否匹配：確保HV側(cè)和LV側(cè)的上拉電阻匹配。
問(wèn)題描述：光耦輸出電平不穩(wěn)定，可能是輸入電流不足導(dǎo)致LED未充分導(dǎo)通。
解決辦法：
減小限流電阻或更換高靈敏度光耦：減小限流電阻或更換高靈敏度光耦，以確保LED充分導(dǎo)通。
問(wèn)題描述：專(zhuān)用芯片發(fā)熱嚴(yán)重，可能是負(fù)載電流超過(guò)芯片額定值。
解決辦法：
增加散熱片或并聯(lián)多通道：增加散熱片或并聯(lián)多通道以分散熱量。
通過(guò)以上解決方法，可以解決電平轉(zhuǎn)換電路中常見(jiàn)的問(wèn)題，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。如果問(wèn)題依然存在，建議使用示波器等工具進(jìn)行更深入的診斷，或者聯(lián)系專(zhuān)業(yè)的技術(shù)支持人員。
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