在UART通讯中实现5.5V与3V电平转换的五种方案

谷谷小师妹

在UART通讯中实现5.5V与3V电平转换的五种方案

嵌入式系统中，当两个不同供电电压的单片机之间需要通讯，或者单片机与不同电压的外围芯片进行通讯时，不可避免地要进行电平转换，否则会出现通讯不成功，甚至电压超过单片机耐受值而损坏的情况。下面介绍五种主流的电平转换方案。

1.电阻分压方案

如上图所示，左侧为3.3V系统，右侧为5V系统，当5V电平客户端向左侧发送数据时通过两个电阻分压，左侧接收端电压约为5V*2K/（1K+2K）≈3.3V，如此实现电平匹配。

因为只使用了电阻，所以这种方案的优点是成本极低，方便布局，缺点也很明显，一方面功耗比较大，另一方面驱动能力不强且速度上也不能太快，一般只能应用于100K以内的频率。

2.电平转换芯片方案

使用专用的电平转换芯片，只需给芯片两侧提供不同的电压，电平转换由芯片内部完成，如74xHC系列和74xHCT系列芯片，可实现七路3.3V与5V电平相互转换。

直接使用芯片进行电平转换，其优势是驱动能力强（CMOS输出工艺），漏电流小，适合多路电平转换，速率高，缺点是成本高。

3.二极管方案

利用二极管的压降来钳位也可以实现电平转换，如上图所示，当右侧5V单片机TXD发出高电平时，D2截止，左侧RXD通过上拉电阻接收高电平为3.3V；当右侧单片机TXD为低电平时，由于二极管的钳位作用，左侧RXD约为0.3V，默认为低电平。应用此电路需要D2压降特别小（＜0.5V），一般使用肖特基，否则左右电平无法默认保持一致。

二极管方案的优势是漏电流小，成本低，缺点是二极管压降要求高，驱动能力和传输速率不太高。

4.三极管方案

上图电路使用两个NPN三极管，可将输入信号3.3V电平转换为5V输出电平，并且信号保持同步。电路描述：TX为低时，Q3不通、Q4导通，RX接地也为低；TX为高时，Q3导通，Q4不通，RX上拉为5V。如此二者高低同步，且电平实现转换。

此电路优势是成本低，驱动能力强，电路应用较为成熟广泛。缺点是通过三极管转换波形有延迟，所以速率不能太快（波特率不超过230400）。多路转换时物料较多，需要较大的布局空间。

5.MOS管方案

上图是一个用MOS管来实现的IIC通讯中5V和3.3V电平转换的经典电路，电路描述：当SDA1为高时，MOS管ＧＳ间无压降所以不通，SDA1与SDA2均为高电平，但电压各自独立；当SDA1为低时，MOS管导通，SDA1与SDA2均为低电平。SCL逻辑分析类似SDA。

这种方案适用于低频信号电平转换，价格低廉，压降比三极管小，速度一般在400K以下。

来源：电子工程师笔记