一、單向電平轉換電路

1、使用電阻分壓轉換電平

這種方案應該是最便宜的一種了，只使用了電阻這一種器件，如下圖所示。我們分析一下這個電路，當3.3V電平模塊向右側發送數據的時候只通過限流電阻，到達右側時的電平在客戶端的接收范圍內。當5V電平客戶端向左側發送數據時通過兩個電阻分壓，左側接收端電壓5V*2K/(1K+2K)≈3.3V。

這種方案的優點不言而喻就是成本極低，只需三個小電阻，同時方便布局，在PCB板上也不占用空間。當然缺點也是大大的，為了降低功耗那么分壓部分的電阻值不能選擇太小，這就導致了驅動能力不強同時速度上也不能太快，因為有寄生電容的影響。再一個就是完全沒有隔離會有電流串擾，左右相互影響。

實際應用電路

充滿電后IC2 6腳(DONE)輸出5V通過R52、R24兩個10K電阻分壓成為CPU可識別的高電平2.5V

2、二極管構成的單向電平轉換電路

工作原理：如圖所示是使用二極管鉗位的方法進行電平轉換。

如圖1為使用二極管鉗位的方法進行電平轉換。如圖1是3.3V轉5V，當3V3_VIN電平為高時，5V_VOUT=3.3V+Vd(D2)=3.3+0.7≈4V，到達5V的高電平閾值，當3V3_VIN電平輸出為低時，5V_VOUT輸出電壓約=Vd(D2)≈0.7V，在低電平閾值范圍內。

如圖2是5V轉3.3V，當5V_VIN輸入是高電平時，3V3_VOUT=3.3V+Vd(D3)≈4V，當5V_VIN輸入為低電平時，3V3_VOUT=0V。

舉例：

工作原理

如圖6中單片機的RXD為3.3V， 終端設備的TXD為5V。當終端設備輸出為5V信號時，二極管D1不通，RXD通過上拉電阻R1被拉到單片機可接受的3.3V電平;當終端設備輸出為低時，二極管D1導通，RXD通過二極管被拉至低電平，不過此時的低電平為二極管的正向導通壓降，這個值一定要在單片機所能識別的低電平范圍之內。

(1)終端設備RXD和單片機TXD直接連接的，所以終端設備能識別的高電平的最小閾值應該小于等于3.3V。

(2)單片機所能識別的低電平最大閾值應該大于等于二極管的管壓降。

(3)考慮通信速率與低電平電壓幅值，二極管選用高速肖特基二極管，并且VF盡量小。

優點：(1)漏電流小：由于二極管的漏電流非常小(uA級)，可以單向防止電源倒灌，防止3.3V倒灌到5V。

(2)容易實現：二極管、電阻采購容易，占用面積小。

缺點：(1)電平誤差大：主要是二極管的正向壓降較大，容易超出芯片的工作電壓范圍。

(2) 單向防倒灌：只能單向防止倒灌，不能雙向防止倒灌。

(3) 速度和驅動能力不理想：由于電阻限流，驅動速度和能力均不理想，只能應用在100K以內的頻率。

3、三極管構成的電平轉換電路

工作原理：VDDA與VDDB分別為兩個不同的電壓。

圖3實現原理：左側IN為輸入，右側OUT為輸出，VDDA與VDDB分別為相互轉換的兩個不同的電壓。當IN輸入0V時，三極管Q1導通，OUT被拉低到接近0V 電平，實現低電平轉換;當IN輸入高電平VDDA時，三極管Q1截止，此時OUT被電阻R3上拉至VDDB，從而實現高電平轉換。此電路屬于單向轉換電路，轉換方向為IN輸入，OUT輸出。

圖4實現原理： 當輸入IN為低電平時，三極管Q2關斷，三極管Q3導通，輸出OUT被拉低，從而實現低電平轉換;當輸入IN為高電平VDDA時，三極管Q2導通，從而三極管Q3被拉低關斷，從而輸出OUT被電阻R6拉高到VDDB，從而實現高電平轉換。此電路只能實現左側IN輸入，右側OUT輸出，不能反向轉換。

注意事項：圖4中使用2個三極管的目的是將輸入和輸出信號同相，如果可以接受反相，使用一個三極管也可以。

實際應用電路

二、雙向電平轉換電路

1、NMOS構成的電平轉換電路

工作原理

從左往右 當IN端輸出高電平時，MOS管Q1的Vgs=0，MOS管關閉，OUT端被電阻R3上拉到VDDB;

當IN端輸出低電平時，MOS管Q1的Vgs=VDDA，大于導通電壓閾值，MOS管導通，OUT端通過MOS管被拉低到低電平;

當IN端輸出高阻狀態時，MOS管截止，OUT端被電阻R3上拉到VDDB;

從右往左

當OUT端輸出高電平時，MOS管Q1的Vgs不變，MOS管維持關閉狀態，IN端被電阻R1上拉到VDDA;

當OUT端輸出低電平時，MOS管Q1不導通，MOS管先經過體二極管把IN拉低到低電平，此時Vgs≈VDDA，MOS管導通，進一步拉低IN端的電壓;

當OUT端輸出高阻狀態時，MOS管Q1的Vgs不變，MOS管維持關閉狀態，OUT端被電阻R3上拉到VDDB。

注意事項：

(1)在正常操作中，VDDB>=VDDA;

(2)Vgs<=VDDA;Vds<=VDDB;

(3)IN端的低電平門限大于0.7V左右(視NMOS內的二極管壓降而定)。

(4)MOS管的接入方法：MOS管的S極要接到較低電壓那邊，不能接反。

(5)MOS管的選型(MOS管的導通電壓需要注意)： MOS管導通電壓門限(Vth(GS)里面的最大值)需要小于低電源電壓。

舉例

當總線上沒有數據發送時：兩邊都沒有主動去拉低總線，因此MOS管也不導通，都因為各自的上拉電阻存在，左邊為高電平3.3V，右邊為高電平5V。

當單片機需要發送數據1到終端設備時：即單片機TXD為高電平3.3V，MOS管Q2的Vgs=0，MOS管Q2關閉，右邊因為上拉電阻的存在，終端設備RXD接口電平保持為5V。即可看作單片機正常將數據1發送到終端設備。

當單片機需要發送數據0到終端設備時：即單片機TXD為低電平0V，MOS管Q2的Vgs=3.3V，MOS管Q2導通，右邊電平和左邊電平一樣，終端設備RXD接口為低電平0V。即可看作單片機正常將數據0發送到終端設備。

當終端設備需要發送數據1到單片機時：即終端設備TXD為高電平5V，單片機RXD因為沒有主動拉低電平，所以MOS管Q1不導通，左邊保持上拉電平3.3V。即可看作終端設備將數據1正常發送到單片機。

當終端設備需要發送數據0到單片機時：即終端設備TXD為低電平0V時，因為MOS管Q1中二極管的存在，管中二極管導通，MOS管Q1的S極被拉低，Vgs接近3.3V，MOS管Q1導通，使得左邊和右邊電平接近，為0V。即可看作終端設備正常將數據0發送到單片機。

優點：

(1)適用于低頻信號電平轉換，價格低廉。

(2)導通后，壓降比三極管小。

(3)正反向雙向導通，相當于機械開關。

(4)電壓型驅動，需要一定的驅動電流。

2、電平轉換芯片構成的雙向電平轉換電路

上述幾種電平轉換方法是比較常見的方法，電平轉換主要考慮以下幾個方面：

(1)電平匹配：這個是前提，轉換后的電平需要在對方可承受的范圍之內。

(2)漏電流：兩者之間不但電平要匹配，漏電流還不能互相影響。使用二極管電平轉換做RS485輸出，可能會出現外部設備的漏電流過來影響內部設備的開機，而且內部的設備啟動時輸出一堆亂碼，影響對方正常工作。

(3)驅動能力：電平轉換以后還要考慮驅動能力，例如I2C電平轉換后，掛載多個I2C設備就需要考慮驅動能力的問題。

(4)速度：理論上，所有的電平轉換都是有速度犧牲的，速度最優的方案是專用電平轉換芯片，其次是三極管方案，最差的就是電阻分壓方案。

(5)成本：在電路設計中除了考慮功能的要求外，還要兼顧下成本。

(6)路數：太復雜的轉換方案不適合多路數的情況，會占據太多的面積。

審核編輯：湯梓紅