電壓轉(zhuǎn)換芯片原理和TI雙向電壓轉(zhuǎn)換解決方案介紹

作者：Xiaoxiang Liu

1. 電壓轉(zhuǎn)換芯片介紹

       如今整個(gè)電路系統(tǒng)，性能越來(lái)越強(qiáng)大，功耗要求越來(lái)越低，其設(shè)計(jì)也越來(lái)越復(fù)雜，更低的工作電壓的元器件應(yīng)運(yùn)而生。但是這種復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)元器件之間的工作電壓并不相同。例如，當(dāng)一個(gè)元器件的輸出電壓為1.8V，而另一個(gè)元器件的輸入電壓要求為3.3V時(shí)，這個(gè)時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)電路系統(tǒng)內(nèi)部元器件之間電壓不匹配的情況。

       為了讓整個(gè)電路系統(tǒng)中的各種器件能夠耦合使用，讓整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠落地，就需要使用對(duì)應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換芯片，如圖1所示。TI提供了多種電壓轉(zhuǎn)換器，包括雙電源電平轉(zhuǎn)換器、自動(dòng)方向感應(yīng)轉(zhuǎn)換器以及用于推挽緩沖和開(kāi)漏應(yīng)用的自動(dòng)方向感應(yīng)轉(zhuǎn)換器等。      

       本文以TI的TXS和TXB系列電壓轉(zhuǎn)換芯片，介紹了電壓轉(zhuǎn)換芯片的工作原理和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，有助于工程師設(shè)計(jì)出集成度更高，棒性更好的系統(tǒng)方案。

圖1， 電壓匹配示意圖

2 電壓轉(zhuǎn)換芯片原理

2.1 單向電壓轉(zhuǎn)換芯片原理

       電壓轉(zhuǎn)換芯片分為單向電壓轉(zhuǎn)換芯片和雙向電壓轉(zhuǎn)換芯片。最簡(jiǎn)單的方案為單個(gè)MOSFET組成的單向電壓轉(zhuǎn)換芯片，其工作原理如下圖1所示。

       當(dāng)柵極G輸入為低電平L時(shí)的時(shí)候，VGS < 閾值，MOSFET截至，此時(shí)漏極D為高電平H（VCC），如圖2-A；而當(dāng)柵極G輸入為高電平H的時(shí)候， VGS > 閾值，MOSFET導(dǎo)通，此時(shí)漏極D輸出為低電平L(0V)， 如圖2-B，這種情況輸入和輸出會(huì)反向。

圖2 單向電壓轉(zhuǎn)換芯片工作原理

2.2 雙向電壓轉(zhuǎn)換芯片原理

       在一些應(yīng)用中，存在發(fā)送端和接收端會(huì)互換的情況，如IIC、MDIO、SPI等需要雙向通信的情況下，就需要使用雙向電壓轉(zhuǎn)換芯片。其工作原理如下：

       如果輸出為左邊。當(dāng)左側(cè)輸入高電平H(輸入電壓為VCCA)時(shí)，由于VGS<閾值，所以MOSFET截至，右側(cè)輸出電壓為VCCB），如圖3-A所示；當(dāng)左側(cè)D0輸入低電平L（0V）時(shí)，由于VGS = VCCA > 閾值，所以MOSFET導(dǎo)通，右側(cè)輸出電壓為低電平0V，如圖3-B所示。

圖3 雙向電壓轉(zhuǎn)換芯片工作原理1

       當(dāng)右側(cè)輸入高電平H時(shí)，由于左側(cè)初始為高電平VCCA，VGS = 0<閾值，MOSFET截至，如圖4-A所示；右側(cè)輸入L的時(shí)候，原本VS=VG = VCCA，VGS = 0，MOSFET截至，但是由于場(chǎng)效應(yīng)管有一個(gè)寄生二極管，它會(huì)將左側(cè)輸出下拉至一個(gè)二極管的導(dǎo)通電壓，此電壓在0.3V到0.7V之間，所以這里我們可以認(rèn)為左側(cè)輸出為低電平。此時(shí)VGS（3.3V-0.7V=2.6V）大于場(chǎng)效應(yīng)管的柵極閾值電壓而使MOSFET導(dǎo)通，導(dǎo)通后右側(cè)輸入和左側(cè)輸出為同一電壓0V，如圖4-B所示。

圖4 雙向電壓轉(zhuǎn)換芯片工作原理2

3 TI電壓轉(zhuǎn)換芯片解決方案

3.1 TXS雙向自動(dòng)方向檢測(cè)電壓轉(zhuǎn)換器

       TXS雙向自動(dòng)方向檢測(cè)電壓轉(zhuǎn)換器，可以與漏極開(kāi)路以及推挽式驅(qū)動(dòng)配合，最大速率可到24Mbps(推挽，開(kāi)漏2Mbps最高速率)。需要注意A端口跟蹤VCCA，而B(niǎo)端口跟蹤VCCB。VCCA的電壓必須低于或等于VCCB的電壓。VCCA可以接受介于1.65 V和3.6 V之間的任意供電電壓，而VCCB可以接受2.3 V至5.5 V的任意供電電壓。這些電源軌可以在任何的1.8 V、2.5 V、3.3 V和5 V電壓節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)低電壓雙向轉(zhuǎn)換。其主要的型號(hào)為：TXS0101，TXS0102, TXS0104E。

3.1.1 TXS雙向自動(dòng)方向檢測(cè)電壓轉(zhuǎn)換器工作原理

圖5 TXS010X雙向電壓轉(zhuǎn)換芯片

       TXS系列如前面介紹的原理一樣，用N通道MOSFET的導(dǎo)通和截至A端口和B端口之間的連接。當(dāng)連接到A或B端口的驅(qū)動(dòng)器為低電平時(shí)，對(duì)端便會(huì)被MOSFET N2拉低，如圖5所示。

3.1.2 TXS外部上下拉電阻設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

       TXS系列電平轉(zhuǎn)換芯片集成了內(nèi)部上拉電阻，用于保持輸出高電平時(shí)的狀態(tài)。TXS0101、TXS0102和TXS0104E等電源轉(zhuǎn)換芯片的內(nèi)部上拉電阻固定為10kΩ；TXS0108E具有動(dòng)態(tài)上拉電阻，其值取決于輸出是驅(qū)動(dòng)高電平還是低電平。當(dāng)驅(qū)動(dòng)高電平時(shí)，上拉電阻值為4KΩ，當(dāng)驅(qū)動(dòng)低電平時(shí)，上拉電阻值為40KΩ，如圖6 所示。

圖6 TXS0104E和TXS0108E輸出架構(gòu)

       當(dāng)處于直流穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出由內(nèi)部上拉電阻保持高電平。外部上拉或下拉電阻會(huì)影響輸出端的電壓。

3.1.2.1 TXS0108E上拉電阻測(cè)試

       下面測(cè)量了TXS0108E上拉電阻時(shí)候的輸出，其跨越了從4.7KΩ 到100KΩ 的四個(gè)不同上拉電阻值范圍, 用于直觀感受不同上拉電阻所帶來(lái)的影響。測(cè)試方法如圖7所示，輸入信號(hào)為1.8V，1KHz，上升和下降時(shí)間為5ns，輸出電壓為3.3V。

圖7 TXS0108E上拉電阻測(cè)試

表1 TXS0108E上拉電阻測(cè)試結(jié)果

       如表1所示，為TXS0108E各種上拉電阻測(cè)試結(jié)果，使用4.7 KΩ上拉時(shí)，VOL電壓為264mV； 沒(méi)有上拉的時(shí)候VOL為30 mV ，原因在于外部上拉和內(nèi)部的40KΩ 上拉并聯(lián)導(dǎo)致，但輸出為低電平的時(shí)候，由于通過(guò)MOSFET的電流增加，導(dǎo)致其MOSFET的壓降變大。

3.1.2.2 TXS0108E下拉電阻測(cè)試

       下面測(cè)量了TXS0108E下拉電阻時(shí)候的輸出，其跨越了從4.7 KΩ 到100 KΩ 的四個(gè)不同下拉電阻值范圍, 用于直觀感受不同下拉電阻所帶來(lái)的影響。測(cè)試方法如圖8所示，輸入信號(hào)為1.8V，1KHz，上升下降時(shí)間為5ns，輸出電壓為3.3V。

圖8 TXS0108E下拉電阻測(cè)試

表2 TXS0108E下拉電阻測(cè)試結(jié)果

如表2所示，說(shuō)明了TXS0108E下拉電阻對(duì)VOH電平的影響。沒(méi)有上拉電阻的基準(zhǔn)VOH為3.18V，而使用4.7 KΩ下拉電阻的VOH為1.68 V。這是由于內(nèi)部上拉電阻和外部下拉構(gòu)成了一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致VOH降低。

3.1.3 TXS上下拉總結(jié)

       TXS系列電壓轉(zhuǎn)換芯片可以和外部上拉電阻一起使用，并且不會(huì)影響輸出電壓。需要注意對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流。使用公式1，能夠計(jì)算對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流，RA值為A端外部上拉電阻和芯片內(nèi)等效上拉電阻的并聯(lián)值，RB值為B端外部上拉電阻和芯片內(nèi)等效上拉電阻的并聯(lián)值。TXS0101, TXS0102, TXS0104E器件，建議將電流限制再10mA以下；TXS0108E的電流限制為1mA以下。

公式1：

I = VCCA / RA + VCCB / RB 

       由于內(nèi)部等效為上拉，如果外部做下拉，會(huì)導(dǎo)致VOH電平降低，所以必須避免使用下拉電阻，如果需要下拉電阻，必須要求下拉電阻大于或等于50KΩ。

       下拉電阻時(shí)其輸出電壓計(jì)算方法如公式2所示，Vccx為A端或者B端的電壓，RPD為外部上拉電阻。對(duì)于TXS0101, TXS0102, TXS0104E器件，內(nèi)部上拉電阻為10KΩ。TXS0108E內(nèi)部上拉電阻為40KΩ。

公式2：

VOH = VCCx × RPD / (RPD + 10KΩ)

3.2 TXB雙向自動(dòng)方向檢測(cè)電壓轉(zhuǎn)換器

       TXB為推挽MOS架構(gòu)得電壓轉(zhuǎn)換器，和TXS一樣雙向自動(dòng)方向檢測(cè)電壓轉(zhuǎn)換器。但是該推挽CMOS結(jié)構(gòu) TXB設(shè)備不適用于開(kāi)漏應(yīng)用。TXB能夠達(dá)到100Mbps最大數(shù)據(jù)傳輸速率，適用于高速信號(hào)。需要注意：A端口跟蹤VCCA，而B(niǎo)端口跟蹤VCCB。VCCA的電壓必須低于或等于VCCB的電壓。VCCA可以接受介于1.65 V和3.6 V之間的任意供電電壓，而VCCB可以接受2.3 V至5.5 V的任意供電電壓。這些電源軌可以在任何的1.8 V、2.5 V、3.3 V和5 V電壓節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)低電壓雙向轉(zhuǎn)換。其主要的型號(hào)為：TXB0104，TXB0108。

3.2.1 TXB雙向自動(dòng)方向檢測(cè)電壓轉(zhuǎn)換器工作原理

       TXB中的4KΩ緩沖器和觸發(fā)器（on-shot）是為了縮短上升沿和下降沿的時(shí)間。當(dāng)A端輸入從低電平到高變化時(shí)，T1連接的觸發(fā)器觸發(fā)，T1導(dǎo)通，T2截至，B端口輸出高電平，如圖10所示；當(dāng)A輸入從高電平到低電平變化時(shí)，與T2連接的one-shot觸發(fā)，T2導(dǎo)通，T1截至，B端口輸出低電平，如圖10所示。正是4KΩ的串聯(lián)電阻緩沖，如果外部添加上拉電阻或者下拉電阻，會(huì)形成帶有4KΩ電阻的分頻網(wǎng)絡(luò)，這種情況會(huì)影響VOH和VOL電平的值。

圖9 TXB系列電壓轉(zhuǎn)換芯片框圖

圖10 TXB系列電壓轉(zhuǎn)換芯片原理

3.2.2 TXB外部上下拉電阻設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3.2.2.1 TXB0108上拉電阻測(cè)試

       下面測(cè)量了TXB0108上拉電阻時(shí)候的輸出，其跨越了從4.7KΩ 到100KΩ 的四個(gè)不同上拉電阻值范圍, 用于直觀感受不同上拉電阻所帶來(lái)的影響。測(cè)試方法如圖11所示，輸入信號(hào)為1.8V，1KHz， 上升和下降時(shí)間為5ns，輸出電壓為3.3V。

圖11 TXB系列電壓轉(zhuǎn)換芯片上拉電阻測(cè)試

表3 TXB0108上拉電阻測(cè)試結(jié)果

       如表3所示，上拉電阻會(huì)對(duì)VOL有影響，在又沒(méi)上拉的情況下，對(duì)應(yīng)的TXB0108低電平為-0.007V, 而使用4.7KΩ上拉的時(shí)候?yàn)?.52V。

3.2.2.2 TXB0108下拉電阻測(cè)試

       下面測(cè)量了TXB0108下拉電阻時(shí)候的輸出，其跨越了從4.7KΩ 到100KΩ 的四個(gè)不同下拉電阻值范圍，用于直觀感受不同下拉電阻所帶來(lái)的影響。測(cè)試方法如圖12所示，輸入信號(hào)為1.8V，1KHz，上升和下降時(shí)間為5ns，輸出電壓為3.3V。

圖12 TXB系列電壓轉(zhuǎn)換芯片下拉電阻測(cè)試

表4 TXB0108下拉電阻測(cè)試結(jié)果

如表4所示，下拉電阻會(huì)對(duì)VOH有影響，當(dāng)沒(méi)有下拉電阻時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓VOH為3.19V；而增加4.7KΩ下拉電阻時(shí)，輸出電壓VOH為1.71V。

3.2.3 TXB上下拉總結(jié)

       綜上3.2.2的測(cè)試結(jié)果，TXB不應(yīng)使用小于50 kΩ的上拉和下拉電阻，因?yàn)閮?nèi)部4 kΩ緩沖器和外部電阻器會(huì)形成一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò)。對(duì)下拉的影響如公式3所示，RPU為外部上拉電阻，VCCO為輸出端口處的供電電壓。

公式3:

對(duì)上拉的影響如公式4所示，RPU為外部上拉電阻，VCCO為輸出端口處的供電電壓。

公式4:

4. 總結(jié)

       本文介紹了電壓轉(zhuǎn)換芯片的工作原理，并以TI的TXS和TXB系列電壓轉(zhuǎn)換芯片為例，總結(jié)了其設(shè)計(jì)要點(diǎn)，有助于工程師設(shè)計(jì)出集成度更高，棒性更好的系統(tǒng)方案。

參考文獻(xiàn)

A Guide to Voltage Translation With TXB-Type Translators

A Guide to Voltage Translation With TXS-Type Translators

Effects of pullup and pulldown resistors on TXS and TXB devices (Rev. A)

TXS0108E-Q1 8-Bit Bi-directional, Level-Shifting, Voltage Translator for Open-Drain and Push-Pull Applications datasheet (Rev. C) 

TXB0104-Q1 4-Bit Bidirectional Voltage-Level Translator with Automatic Direction Sensing and ±15-kV ESD Protection datasheet (Rev. B)