解析智能手機(jī)中的邏輯電平轉(zhuǎn)換方案

　　近幾年來，在蘋果公司iPhone手機(jī)的帶動(dòng)下，智能手機(jī)市場(chǎng)迅速擴(kuò)大。智能手機(jī)等便攜產(chǎn)品的一個(gè)重要特點(diǎn)是功能越來越多，從而支持更廣泛的消費(fèi)需求。但智能手機(jī)等便攜產(chǎn)品內(nèi)部用于支持不同功能的集成電路(IC)或模塊的工作電壓往往不同，如基帶處理器和應(yīng)用處理器電壓一般在1.5 V至1.8 V之間，而現(xiàn)有許多外設(shè)工作電壓一般為2.6至3.3 V，如USIM卡、Wi-Fi模塊、調(diào)頻(FM)調(diào)諧器模塊工作電壓為2.8 V，而相機(jī)模塊為2.7 V。

　　圖1：邏輯電平轉(zhuǎn)換器應(yīng)用示意圖。

　　因此，智能手機(jī)等便攜產(chǎn)品中的不同IC與外設(shè)模塊之間存在輸入/輸出電壓失配問題，要使這些器件與模塊之間互相通信，需要高效的邏輯電壓電平轉(zhuǎn)換。所謂的邏輯電平轉(zhuǎn)換器即連接不同工作電壓的IC與模塊或印制電路板(PCB)，提供系統(tǒng)集成解決方案。

　　傳統(tǒng)邏輯電平轉(zhuǎn)換方法及其優(yōu)缺點(diǎn)

　　表1：傳統(tǒng)邏輯電平轉(zhuǎn)換方法及優(yōu)缺點(diǎn)。

　　由于晶體管-晶體管邏輯(TTL)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)是邏輯電路中的標(biāo)準(zhǔn)電平，因傳統(tǒng)邏輯電平轉(zhuǎn)換方法中，TTL-CMOS輸入轉(zhuǎn)換很常見。這種轉(zhuǎn)換方法簡(jiǎn)單，成本低，主要用于低電平至高電平轉(zhuǎn)換，也能用于轉(zhuǎn)換高電平至低電平。這種轉(zhuǎn)換方法也存在一些缺點(diǎn)。其它傳統(tǒng)邏輯電平轉(zhuǎn)換方法還有過壓容限(OVT)電壓轉(zhuǎn)換、漏極開路(OD)/有源下拉轉(zhuǎn)換和分立I2C轉(zhuǎn)換等，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，參見表1。

　　雙電源邏輯電平轉(zhuǎn)換及應(yīng)用

　　邏輯電平轉(zhuǎn)換中會(huì)消耗功率。例如，在低至高電平轉(zhuǎn)換中，為了輸出高邏輯電平，輸入電壓(Vin)低于VCC，電源電流變化(ΔICC)始終較高，因此功耗也較高。為了解決高功耗的問題，可以采用雙電源電壓(VCCA及VCCB)邏輯電平轉(zhuǎn)換器，在邏輯電源電壓(VL)等于Vin時(shí)，ΔICC就為0，從而降低功耗。

　　常見雙電源邏輯電平轉(zhuǎn)換包括單向轉(zhuǎn)換、帶方向控制引腳的雙向轉(zhuǎn)換、自動(dòng)感測(cè)雙向轉(zhuǎn)換(推挽型輸出)及用于漏極開路應(yīng)用(如I2C)的自動(dòng)感測(cè)雙向轉(zhuǎn)換等，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

　　圖2：幾種雙電源邏輯電平轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖。

　　在這些雙電源邏輯電平轉(zhuǎn)換方法中，單向邏輯電平轉(zhuǎn)換的原理就是在輸出啟用(Output Enable，)為低電平時(shí)，提供A點(diǎn)至B點(diǎn)轉(zhuǎn)換;而在輸出啟用為高電平時(shí)，A、B之間呈現(xiàn)高阻態(tài)(Hi-Z)，通常當(dāng)作電阻無(wú)窮大來處理，相當(dāng)于沒有接通。常見的雙電源單向邏輯電平轉(zhuǎn)換器有如安森美半導(dǎo)體的NLSV1T34AMX1TCG、NLSV2T244MUTAG、NLSV4T3234FCT1G、NLSV8T244MUTAG、NLSV22T244MUTAG等。這些雙電源單向邏輯電平轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用包括通用輸入輸出(GPIO)端口、串行外設(shè)接口(SPI)端口和通用串行總線(USB)端口等。

　　帶方向控制引腳的雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器的工作原理是：引腳和方向控制(DIRection，T/)引腳均為低電平時(shí)，提供B點(diǎn)至A點(diǎn)轉(zhuǎn)換;引腳為低電平、T/引腳為高電平時(shí)，提供A點(diǎn)至B點(diǎn)轉(zhuǎn)換;而在引腳為高電平時(shí)，A點(diǎn)至B點(diǎn)方向和B點(diǎn)至A點(diǎn)方向均處于高阻態(tài)，相當(dāng)于沒有接通。安森美半導(dǎo)體即將推出帶方向控制引腳的雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器。這類轉(zhuǎn)換器的常見應(yīng)用是以字節(jié)(byte)訪問的存儲(chǔ)器及I/O器件。

　　自動(dòng)感測(cè)雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器(推挽型輸出)的工作原理是：?jiǎn)⒂?EN)引腳為低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器處于待機(jī)狀態(tài);EN引腳為高電平、I/O電平不變時(shí)，轉(zhuǎn)換器處于穩(wěn)態(tài);EN引腳為高電平、I/O電平變化時(shí)，轉(zhuǎn)換器檢測(cè)到變化，并產(chǎn)生脈沖，I/O藉P溝道MOSFET(PMOS)上拉至更快。典型的自動(dòng)感測(cè)方向雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器(推挽型輸出)有如安森美半導(dǎo)體的NLSX3012MUTAG、NLSX3013FCT1G、NLSX3013BFCT1G、NLSX4014MUTAG和NLSX3018MUTAG等。這類轉(zhuǎn)換器的常見應(yīng)用包括通用異步收發(fā)器(UART)、USB端口、4線SPI端口和3線SPI端口等。

　　用于漏極開路應(yīng)用(如I2C)的自動(dòng)感測(cè)雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器同樣包含3個(gè)狀態(tài)：EN引腳為高電平、NMOS導(dǎo)通時(shí)，處于工作狀態(tài)，輸入端I/O電平下拉至地，即輸入低電平;EN引腳為高電平、NMOS處于高阻態(tài)時(shí)，處于工作狀態(tài)，輸出端I/O電平上拉至VCC，即輸入高電平;EN引腳為低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器處于待機(jī)狀態(tài)。典型的用于漏極開路應(yīng)用(如I2C)的自動(dòng)感測(cè)雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器有如安森美半導(dǎo)體的NLSX4373MUTAG、NLSX4348FCT1G和NSLX4378BFCT1G等。這類轉(zhuǎn)換器的常見應(yīng)用包括I2C總線、用戶識(shí)別模塊(SIM)卡、單線(1-Wire)總線、顯示模塊、安全數(shù)字輸入輸出(SDIO)卡等。

　　上述幾種雙電源邏輯電平轉(zhuǎn)換器中，不帶方向控制引腳的自動(dòng)感測(cè)轉(zhuǎn)換器和帶方向控制引腳的轉(zhuǎn)換器各有其優(yōu)劣勢(shì)。自動(dòng)感測(cè)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在將微控制器的I/O線路減至最少，是用于異步通信的簡(jiǎn)單方案，劣勢(shì)則是成本高于及帶寬低于帶方向控制引腳的轉(zhuǎn)換器。帶方向控制引腳的轉(zhuǎn)換器優(yōu)勢(shì)是作為大宗商品元件，成本低，是用于存儲(chǔ)器映射I/O的簡(jiǎn)單方案，劣勢(shì)則是微控制器引腳數(shù)量多。

　　而在不帶方向控制引腳的自動(dòng)感測(cè)轉(zhuǎn)換器中，也有集成方案(如NLSX3373)與分立方案(如NTZD3154N)之區(qū)別。集成方案NLSX3373為單顆IC，估計(jì)占用的印制電路板(PCB)空間僅為2.6 mm2;分立方案NTZD3154N采用雙MOSFET及4顆01005封裝(即0402)的電阻，估計(jì)占用的PCB總空間為3.3 mm2。集成方案提供低功率待機(jī)模式，而分立方案則不提供高阻抗/待機(jī)模式。這兩種不同方案的低壓工作特性、帶寬及電路特性也各不相同。