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单片机5V转3.3V电平的19种办法技巧!

技巧一运用LDO稳压器,从5V电源向3.3V体系供电

标准三端线性稳压器的压差一般是 2.0-3.0V。要把 5V 牢靠地转化为 3.3V,就不能运用它们。压差为几百个毫伏高门奴妃的低压降 (Low Dropout, LDO)稳压器,是此类运用的抱负挑选。图 1-1 是根本LDO 体系的框图,标示了相应的电流。从图中能够看出, LDO 由四个首要部分组成:

1. 导通晶体管

2. 带隙参阅源

3. 运算放大器

4. 反应电阻分压器

在挑选 LDO 时,重要的是要知道怎么差异各种LDO。器材的静态电流、封装巨细和类型是重要的器材参数。依据具体运用来确认各种参数,将会得到最优的规划。


LDO的静态电流IQ是器材空载作业时器材的接地电流 IGND。 IGND 是 LDO 用来进行稳压的电流。当IOUT>>IQ 时, LDO 的功率可用输出电压除以输入电压来近似地得到。可是,轻载时,有必要将 IQ 计入功率核算中。具有较低 IQ 的 LDO 其轻载功率较高。轻载功率的进步关于 LDO 功能有负面影响。静态电流较高的 LDO 关于线路和负载的忽然改动有更快的呼应。

技巧二选用齐纳二极管的低本钱供电体系

这儿具体阐明晰一个选用齐纳二极管的低本钱稳压器计划。


能够用齐纳二极管和电阻做成简略的低本钱 3.3V稳压器,如图 2-1 所示。在许多运用中,该电路能够代替 LDO 稳压器并具本钱效益。可是,这种稳压器对负载灵敏的程度要高于 LDO 稳压器。别的,它的能效较低,由于 R1 和 D1 一直有功耗。R1 约束流入D1 和 PICmicro MCU的电流,然后使VDD 坚持在答应规模内。由于流经齐纳二极管的电流改动时,二极管的反向电压也将发作改动,所以需求细心考虑 R1 的值。

R1 的挑选依据是:在最大负载时——一般是在PICmicro MCU 运转且驱动其输出为高电平时——R1上的电压降要满足低然后使PICmicro MCU有足以坚持作业所需的电压。一起,在最小负载时——一般是 PICmicro MCU 复位时——VDD 不超越齐纳二极管的额外功率,也不超越 PICmicro MCU的最大 VDD。

技巧三选用3个整流二极管的更低本钱供电体系

图 3-1 具体阐明晰一个选用 3 个整流二极管的更低本钱稳压器计划。


咱们也能够把几个惯例开关二极管串联起来,用其正向压降来下降进入的 PICmicro MCU 的电压。这乃至比齐纳二极管稳压器的本钱还要低。这种规划的电流耗费一般要比运用齐纳二极管的电路低。

所需二极管的数量依据所选用二极管的正向电压而改动。二极管 D1-D3 的电压降是流经这些二极管的电流的函数。衔接 R1 是为了避免在负载最小时——一般是 PICmicro MCU 处于复位或休眠状况时——PICmicro MCU VDD 引脚上的电压超越PICmicro MCU 的最大 VDD 吴辉简历值。依据其他衔接至VDD 的电路,能够进步R1 的阻值,乃至也或许彻底不需求 R1。二极管 D1-D3 的挑选依据是:在最大负载时——一般是 PICmicro MCU 运转且驱动其输出为高电平时——D1-D3 上的电压降要满足低然后能够满足 PICmicro MCU 的最低 VDD 要求。

技巧四运用开关稳压器,从5V电源向3.3V体系供电

如图 4-1 所示,降压开关稳压器是一种依据电感的转化器,用来把输入电压源下降至幅值较低的输出电压。输出稳压是经过操控 MOSFET Q1 的导通(ON)时刻来完成的。由于 MOSFET 要么处于低阻状况,要么处于高阻状况 (分别为 ON 和OFF),因而高输入源电压能够高功率地转化成较低的输出电压。

当 Q1 在这两种状况期间时,经过平衡电感的电压- 时刻,能够树立输入和输出电压之间的联系。


关于 MOSFET Q1,有下式:


在挑选电感的值时,使电感的最大峰 - 峰纹波电流等于最大负载电流的百分之十的电感值,是个很好的初始挑选。


在挑选输出电容值时,好的初值是:使 LC 滤波器特性阻抗等于负载电阻。这样在满载作业期间假如忽然卸掉负载,电压过冲能处于可承受规模之内。


在挑选二极管 D1 时,应挑选额外电流满足大的元件,使之能够承受脉冲周期 (IL)放电期间的电感电流。


数字衔接

在衔接两个作业电压不同的器材时,有必要要知道其各自的输出、输入阈值。知道阈值之后,可依据运用的其他需求挑选器材的衔接办法。表 4-1 是本文档所运用的输出、输入阈值。在规划衔接时,请有必要参阅制造商的数据手册以取得实践的阈值电平。


技巧五3.3V →5V直接衔接

将 3.3V 输出衔接到 5V 输入最简略、最抱负的办法是直接衔接。直接衔接需求满足以下 2 点要求:

• 3.3V输出的 VOH 大于 5V 输入的 VIH

• 3.3V输出的 VOL 小于 5V 输入的 VIL

能够运用这种办法石凉的比如之一是将 3.3V LVCMOS输出衔接到 5V TTL 输入。从表 4-1 中所给出的值能够清楚地看到上述要求均满足。

3.3V LVCMOS 的 VOH (3.0V)大于 5V TTL 的VIH (2.0V)

3.3V LVCMOS 的 VOL (0.5V)小于 5V TTL 的VIL (0.8V)。

假如这两个要求得不到满足,衔接两个部分时就需求额外的电路。或许的解决计划请参阅技巧 6、7、 8 和 13。

技巧六3.3V→5V运用MOSFET转化器

假如 5V 输入的 VIH 比 3.3V CMOS 器材的 VOH 要高,则驱动任何这样的 5V 输入就需求额外的电路。图 6-1 所示为低本钱的双元件解决计划。

在挑选 R1 的阻值时,需求考虑两个参数,即:输入的开关速度和 R1 上的电流耗费。当把输入从 0切换到 1 时,需求计入因 R1 构成的芳华泪如泉涌 RC 时刻常数而导致的输入上升时刻、 5V 输入的输入容抗以及电路板上任何的杂散电容。输入开关速度可经过下式核算:


由于输入容抗和电路板上的杂散电容是固定的,进步输入开关速度的专一途径是下降 R1 的阻值。而下降 R1 阻值以获取更短的开关时刻,却是以增大5V 输入为低电平时的电流耗费为价值的。一般,切换到 0 要比切换到 1 的速度快得多,由于 N 沟道 MOSFET 的导通电阻要远小于 R1。别的,在挑选 N 沟道 FET 时,所选 FET 的 VGS 应低于3.3V 输出的 VOH。


技巧七3.3V→5V运用二极管补偿

表 7-1 列出了 5V CMOS 的输入电压阈值、 3.3VLVTTL 和 LVCMOS 的输出驱动电压。


从上表看出, 5V CMOS 输入的高、低输入电压阈值均比 3.3V 输出的阈值高约一伏。因而,即便来自 3.3V 体系的输出能够被补偿,留给噪声或元件容差的地步也很小或许没有。咱们需求的是能够补偿输出并加大凹凸输出电压差的电路。


输出电压标准确认后,就现已假定:高输出驱动的是输出和地之间的负载,而低输出驱动的是 3.3V和输出之间的负载。假如高电压阈值的负载实践上是在输出和 3loewe,单片机5V转3.3V电平,这儿给出19种办法与技巧!,心爱头像.3V 之间的话,那么输出电压实践上要高得多,由于拉高输出的机制是负载电阻,而不是输出三极管。

假如咱们规划一个二极管补偿电路 (见图 7-1),二极管 D1 的正向电压 (典型值 0.7V)将会使输出低电压上升,在 5V CMOS 输入得到 1.1V 至1.2V 的低电压。它安全地处于 5V CMOS 输入的低输入电压阈值之下。输出高电压由上拉电阻和连至3.3V 电源的二极管 D2 确认。这使得输出高电压大约比 3.3V 电源高 0.7V,也便是 4.0 到 4.1V,很安全地在 5V CMOS 输入阈值 (3.5V)之上。

注: 为了使电路作业正常,上拉电阻有必要明显小于 5V CMOS 输入的输入电阻,然后避免由于输入端电阻分压器效应而导致的输出电压下降。上拉电阻还有必要满足大,然后保证加载在 3.3V 输出上的电流在器材标准之内。

技巧八3.3V→5V运用电压比较器

比较器的根本作业如下:

• 反相 (-)输入电压大于同相 (+)输入电压时,比较器输出切换到 Vss。

• 同相 (+)输入端电压大于反相 (-)输入电压时,比较器输出为高电平。

为了坚持 3.3V 输出的极性, 3.3V 输出有必要衔接到比较器的同相输入端。比较器的反相输入衔接到由 R1 和 R2 确认的参阅电压处,如图 8-1 所示。


核算 R1 和 R2

R1 和 R2 之比取决于输入信号的逻辑电平。关于3.3V 林河市输出,反相电压应该置于VOL 与VOH之间的中徐海乔然然点电压。关于 LVCMOS 输出,中点电压为:


假如 R1 和 R2 的逻辑电平联系如下,


若 R2 取值为 1K,则 R1 簿本汉化为 1.8K。

经过恰当衔接后的运唐末枭雄算放大器能够用作比较器,以将 3.3V 输入信号转化为 5V 输出信loewe,单片机5V转3.3V电平,这儿给出19种办法与技巧!,心爱头像号。这是利用了比较器的特性,即:依据 “反相”输入与 “同相”输入之间的压差幅值,比较器迫使输出为高(VDD)或低 (Vss)电平。

注: 要使运算放大器在 5V 供电下正常作业,输出有必要具有轨到轨驱动才能。


技巧九5V→3.3V直接衔接

一般 5V 输出的 VOH 为 4.7 伏, VOL 为 0.4 伏;而一般 3.3V LVCMOS 输入的 VIH 为 0.7 x VDD, VIL为 0.2 x VDD。

当 5V 输出驱动为低时,不会有问题,由于 0.4 伏的输出小于 0.8 伏的输入阈值。当 5V 输出为高时, 4.7 伏的 VOH 大于 2.1 伏 VIH,所以,咱们能够直接把两个引脚相连,不会有抵触,条件是3.3V CMOS 输出能够耐受 5 伏电压。


假如 3.3V CMOS 输入不能耐受 5 伏电压,则将呈现问题,由于超出了输入的最大电压标准。或许的解决计划请拜见技巧 10-13。

技巧十5V→3.3V运用二极管钳位

许多厂商都运用钳位二极管来维护器材的 I/O 引脚,避免引脚上的电压超越最大答应电压标准。钳位二极管使引脚上的电压不会低于 Vss 超越一个二极管压降,也不会高于 VDD 超越一个二极管压降。要运用钳位二极管来维护输入,依然要重视流经钳位二极管的电流。流经钳位二极管的电流应该一直比较小 (在微安数量级上)。假如流经钳卢旗英位二极管的电流过大,就存在部件闭锁的风险。由于5V 输出的源电阻一般在 10 左右,因而仍需串联一个电阻,约束流经钳位二极管的电流,如图 10-1所示。运用串联电阻的成果是下降了输入开关的速度,由于引脚 (CL)上构成了 RC 时刻常数。


假如没有钳位二极管,能够在电流中增加一个外部二极管,如图 10-2 所示。


技巧十一5V→3.3V有源钳位

运用二极管钳位有一个问题,即它将向 3.3V 电源注入电流。在具有高电流 5V 输出且轻载 3.3V 电源轨的规划中,这种电流注入或许会使 3.3V 电源电压超越 3.3V。为了避免这个问题,能够用一个三极管来代替,三极管使过量的输出驱动电流流向地,而张馨予为什么名声不好不是 3.3V 电源。规划的电路如图周新春易学网 11-1 所示。


Q1的基极-发射极结所起的效果与二极管钳位电路中的二极管相同。差异在于,发射极电流只需百分之几流出基极进入 3.3V 轨,绝大部分电流都流向集电极,再从霍小媛集电极无害地流入地。基极电流与集电极电流之比,由晶体管的电流增益决议,一般为10-400,取决于所运用的晶体管。

技巧十二5V→3.3V电阻分压器

能够运用简略的电阻分压器将 5V 器材的输出下降到适用于 3.3V 器材输入的电平。这种接口的等效电路如图 12-1 所示。


一般,源电阻 RS 十分小 (小于 10),假如挑选的 R1 远大于 RS 的话,那么能够疏忽 RS 对 R1 的影响。在接纳端,负载电阻 RL 十分大 (大于500 k),假如挑选的R2远小于RL的话,那么能够疏忽 RL 对 R2 的影响。

在功耗和瞬态时刻之间存在取舍权衡。为了使接口电流的功耗需求最小,串联电阻 R1 和 R2 应尽或许大。可是,负载电容 (由杂散电容 CS 和 3.3V 器材的输入电容 CL 组成)或许会对输入信号的上升和下降时浦安修晚年待遇间发生晦气影响。假如 R1 和 R2 过大,上升和下降时刻或许会过长而无法承受。

假如疏忽 RS 和 RL 的影响,则确认 R1 和 R2 的式子由下面的公式 12-1 给出。


公式 12-2 给出了确认上升和下降时刻的公式。为便于电路剖析,运用戴维宁等效核算来确认外加电压 VA 地中海沙龙官网和串联电阻 R。戴维宁等效核算界说为开路电压除以短路电流。依据公式 12-2 所施加的约束,关于图 12-1 所示电路,确认的戴维宁等效电阻 R 应为 0.66*R1,戴维宁等效电压 VA 应为0.66*VS。


例如,假设有下列条件存在:

• 杂散电容 = 30 pF

• 负载电容 = 5 pF

• 从 0.3V 至 3V 的最大上升时刻 ≤ 1 s

• 外加源电压 Vs = 5V

确认最大电阻的核算如公式 12-3 所示。


技巧十三3.九转逆神3V→5V电平转化器

虽然电平转化能够分登时仙田草场进行,但一般运用集成解决计划较受欢迎。电平转化器的运用规模比较广泛:有单向和双向装备、不同的电压转化和不同的速度,供用户选loewe,单片机5V转3.3V电平,这儿给出19种办法与技巧!,心爱头像择最佳的解决计划。

器材之间的板级通讯 (例如, MCU 至外设)经过 SPI 或 I2C™ 来进行,这是最常见的。关于SPI,运用单向电平转化器比较适宜;关于 I2C,就需求运用双向解决计划。下面的图 13-1 显现了这两种解决计划。


模仿

3.3V 至 5V 接口的最终一项应战是怎么转化模仿信号,使之跨过电源妨碍。低电平信号或许不需求外部电路,但在 3.3V 与 5V 之间传送信号的体系则会遭到电源改动的影响。例如,在 3.3V 体系中,ADC转化1V峰值的模仿信号,其分辨率要比5V体系中 ADC 转化的高,这是由于在 3.3V ADC 中,ADC 量程中更多的部分用于转化。但另一方面,3.3V 体系中相对较高的信号幅值,与体系较低的共模电压约束或许会发作抵触。

因而,为了补偿上述差异,或许需求某种接口电路。本节将评论接口电路,以协助平缓信号在不同电源之间转化的问题。

技巧十四3.3V→5V模仿增益模块

从 3.3V 电源衔接至 5V 时,需求进步模仿电压。33 k 和 17 k 电阻设定了运放的增益,然后在两头均运用满量程。loewe,单片机5V转3.3V电平,这儿给出19种办法与技巧!,心爱头像 11 k 电阻约束了流回 3.3V 电路的电流。


技巧十五3.3V→5V模仿补偿模块

该模块用于补偿 3.3V 转化到 5V 的模仿电压。下面是将 3.3V 电源供电的模仿电压转化为由 5V电源供电。右上方的 147 k、 30.1 k 电阻以及+5V 电源,等效于串联了 25 k 电阻的 0.85V 电压源。这个等效的 25 k 电阻、三个 25 k 电阻以及运放构成了增益为 1 V/V 的差动放大器。 0.85V等效电压源将呈现在输入端的任何信号向上平移相同的起伏;以 3.3V/2 = 1.65V 为中心的信号将一起以 5.0V/2 = 2.50V 为中心。左上方的电阻约束了来自 5V 电路的电流。


技巧十六5V→3.3V有源模仿衰减器

此技巧运用运算放大器衰减从 5V 至 3.3V 体系的信号幅值。

要将 5V 模仿信号转化为 3.3V 模仿信号,最简略的办法是运用 R1:R2 比值为 1.7:3.3 的电阻分压器。可是,这种办法存在一些问题。

1)衰减器或许会接至容性负载,构成不希望得到的低通滤波器。

2)衰减器电路或许需求从高阻抗源驱动低阻抗负载。

无论是哪种景象,都需求运算放大器用以缓冲信号。

所需的运放电路是单位增益跟从器 (见图 16-1)。


电路输出电压与加在输入的电压相同。

为了把 5V 信号转化为较低的 3V 信号,咱们只需加上电阻衰减器即可。


假如电阻分压器坐落单位增益跟从器之前,那么将为 3.3V 电路供给最低的阻抗。此外,运放能够从3.3V 供电,这将节约一些功耗。假如挑选的 X 十分大的话, 萨拉斯瓦蒂5V 侧的功耗能够最大极限地减小。

假如衰减器坐落单位增益跟从器之后,那么对 5V源而言就有最高的阻抗。运放有必要从 5V 供电,3V 侧的阻抗将取决于 R1||R2 的值。

技巧十七5V→3.3V模仿限幅器

在将 5V 信号传送给 3.3V 体系时,有时能够将衰减用作增益。假如希望的信号小于 5V,那么把信号直接送入 3.3V ADC 将发生较大的转化值。当信号挨近 5V 时就会呈现风险。所以,需求操控电压越限的办法,一起不影响正常规模中的电压。这儿将评论三种完成办法。

1. 运用二极管,钳位过电压至 3.3V 供电体系。

2. 运用齐纳二极管,把电压钳loewe,单片机5V转3.3V电平,这儿给出19种办法与技巧!,心爱头像位至任何希望的电压限。

3. 运用带二极管的运算放大器,进行准确钳位。

进行过电压钳位的最简略的办法,与将 5V 数字信号衔接至 3.3V 数字信号的简略办法彻底相同。运用电阻和二极管,使过量电流流入 3.3V 电源。选用的电阻值有必要能够维护二极管和 3.3V 电源,一起还不会对模仿功能形成负面影响。假如 3.3V 电源的阻抗太低,那么这种类型的钳位或许致使3.3V 电源电压上升。即便 3.3V 电源有很好的低阻抗,当二极管导通时,以及在频率满足高的情况下,当二极管没有导通时 (由于有跨过二极管的寄生电容),此类钳位都将使输入信号向 3.3V 电源施加噪声。


为了避免输入信号对电源形成影响,或许为了使输入应对较大的瞬态电流时更为沉着,对前述办法稍加改动,改用齐纳二极管。齐纳二极管的速度一般要比第一个电路中所运用的快速信号二极管慢。不过,齐纳钳位一般来说更为健壮,钳位时不依赖于电源的特性参数。钳位的巨细取决于流经二极管的电流。这由 R1 的值决议。假如 VIN 源的输出阻抗满足大的话,也可不需求 R1。


假如需求不依赖于电源的更为准确的过电压钳位,能够运用运放来得到精细二极管。电路如图 17-3所示。运放补偿了二极管的正向压降,使得电压正好被钳位在运放吉田宗洋的同相输入端电源电压上萝莉吧论坛。假如运放是轨到轨的话,能够用 3.3V 供电。


由于钳位是经过运放来进行的,不会影响到电源。

运放不能改进低电压电路中呈现的阻抗,阻抗仍为R1 加上源电路阻抗。

技巧十八驱动双极型晶体管

在驱动双极型晶体管时,基极 “驱动”电流和正向电流增益 (/hFE)将决议晶体管将吸纳多少电流。假如晶体管被单片机 I/O 端口驱动,运用端口电压和端口电流上限 (典型值 20 mA)来核算基极驱动电流。假如运用的是 3.3V 技能,应改用阻值较小的基极电流限流电阻,以保证有满足的基极驱动电流使晶体管饱满。


RBASE的值取决于单片机电源电压。公式18-1 阐明晰怎么核算 RBASE。


假如将双极型晶体管用作开关,敞开或封闭由单片机 I/O 端口引脚操控的负载,应运用最小的 hFE标准和裕度,以保证器材彻底饱满。


3V 技能示例:


关于这两个示例,进步基极电流留出裕度是不错的做法。将 1 mA 的基极电流驱动至 2 mA 能loewe,单片机5V转3.3V电平,这儿给出19种办法与技巧!,心爱头像保证饱满,但价值是进步了输入功耗。

技巧十九驱动N沟道MOSFET晶体管

在挑选与 3.3V 单片机合作运用的外部 N 沟道MOSFET 时,一定要当心。MOSFET 栅极阈值电压表明晰器材彻底饱满的才能。关于 3.3V 运用,所选 MOSFET 的额外导通电阻应针对 3V 或更小的栅极驱动电压。例如,关于具有 3.3V 驱动的100 mA负载,额外漏极电流为250 A的FET在栅极 - 源极施加 1V 电压时,纷歧定能供给满足的成果。在从 5V 转化到 3V 技能时,应细心检查栅极- 源极阈值和导通电阻特性参数,如图 19-1 所示。略微削减栅极驱动电压,能够明显减小漏电流。


关于 MOSFET,低阈值器材较为常见,其漏-源电压额外值低于 30V。漏-源额外电压大于 30V的 MOSFET,一般具有更高的阈值电压 (VT)。


如表 19-1 所示,此 30V N 沟道 MOSFET 开关的阈值电压是 0.6V。栅极施加 2.8V 的电压时,此MOSFET 的额外电阻是 35 m,因而,它十分适用于 3.3V 运用。


关于 IRF7201 数据手册中的标准,栅极阈值电压最小值规定为 1.0V。这并不料loewe,单片机5V转3.3V电平,这儿给出19种办法与技巧!,心爱头像味着器材能够用来在1.0V 栅 - 源电压时开关电流,由于关于低于 4.5V 的VGS (th),没有阐明标准。关于需求低开关电阻的 3.3V 驱动的运用,不主张运用 IRF7201,但它能够用于 5V 驱动运用。

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