雙電源信號電平轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢

2004年4月B版

　　很多電子系統(tǒng)繼續(xù)向更低的電壓信號水平轉(zhuǎn)移。這個發(fā)展潮流背后的動力是對減少功耗的需求。更快的整流速度和降低信號噪聲等方面的進(jìn)步既方便了設(shè)計者，也向他們提出了新的挑戰(zhàn)。

　　微處理器在向較低的電壓水平進(jìn)軍的過程中一馬當(dāng)先。處理器I/O電壓正從1.8V轉(zhuǎn)移到1.5V，而內(nèi)核電壓能夠低于1V。下一代微處理器甚至將采用更低的電壓。外圍設(shè)備組件的電壓雖然也在降低，但水平通常落后于處理器一代左右。電壓降低方面的發(fā)展不均帶來了系統(tǒng)設(shè)計者必須解決的關(guān)鍵性難題——如何在信號電平之間進(jìn)行可靠的轉(zhuǎn)換。正確的信號電平可以保證系統(tǒng)的可靠工作，它們能夠防止敏感IC因過高或者過低的電壓條件而受損。

信號電平轉(zhuǎn)換的問題和優(yōu)點

　　未能達(dá)到供電電平的輸入/輸出電壓會減少信號噪聲的余量，信號要求精確定時也會引起占空度失真問題。超過最大輸入電平的輸入信號會造成過多的能量消耗，在電池供電的系統(tǒng)中特別不希望出現(xiàn)這種情況。在最壞的情況下，過壓甚至?xí)?dǎo)致裝置失效，超過最大電平幾百mV的信號就足以損壞一個微處理器。

　　鑒于信號采用軌－軌形式而且在大多數(shù)情況下采用單個器件，雙軌器件成為最簡單、最可靠、最有效利用空間的轉(zhuǎn)換方式(圖1)。然而，雙軌轉(zhuǎn)換器亦有一些常采用的替代辦法，每一種方法都具有各自的優(yōu)、缺點。

　　有時，可能沒有必要采用特殊的轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)電壓更低的裝置有過壓容限(over-voltage tolerant，OVT)輸入時，就可以選用單向的、由高到低的轉(zhuǎn)換。此外可以在信號通路中添加一個OVT緩沖器或者總線開關(guān)，來提供這一功能。在此種應(yīng)用中，OVT緩沖器具有簡易、低成本和低功耗的優(yōu)點。然而，對于雙向轉(zhuǎn)換而言，低電壓輸出信號必須跨越高電壓輸入的開關(guān)門限。缺點包括占空度失真和高電壓側(cè)噪聲裕度降低(圖2)。

　　對于要求由低向高或者雙向轉(zhuǎn)換電平的應(yīng)用，可以將漏極開路緩沖器和外接上拉電阻組合起來使用。利用這種方法，緩沖器以較低電壓工作，通過使用外部上拉電阻把輸出電平設(shè)置為高電壓(每路輸出有一個上拉電阻)。雖然能解決雙向和由低到高的轉(zhuǎn)換問題，但這種做法也增加了元器件的數(shù)目、電路板的占用空間、能量消耗，而且常常影響到占空度失真。

　　定制的轉(zhuǎn)換器也能基于分立式的場效應(yīng)管(FET)來設(shè)計。定制設(shè)計通過提供精確的比特寬度和所要求的功率而具有靈活的特點；但是定制也增加了器件數(shù)量，由于裝配成本上升，系統(tǒng)成本和所需的板上空間也隨之增加。定制還會拖長設(shè)計時間，增加了開發(fā)進(jìn)度不能按時完成的危險。

　　最可靠方便的選擇是雙軌轉(zhuǎn)換器，它保證在裝置的兩端都能有正確的輸入/輸出電壓。通過將獨立的電源管腳連接到適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電源">電源上，可以設(shè)定信號電平。于是，轉(zhuǎn)換器輸入/輸出電平就可以相應(yīng)的隨著電源電壓而變化。雙軌轉(zhuǎn)換器消除了設(shè)計和成本的難題，提供了一種經(jīng)過檢驗的、現(xiàn)成的裝置，允許設(shè)計者配置元件每一端的輸入/輸出信號，使其恰好變化到所需的電壓上，同時盡量減少需要外加的器件數(shù)。由電壓擺動引起的問題，比如沒有達(dá)到信號電平，或者超過了額定值，都將由此而消除。

雙軌轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計要考慮的問題

　　雖然雙軌轉(zhuǎn)換器提供了最簡單的電壓電平轉(zhuǎn)換方法，但是其具體實現(xiàn)還存在問題。雙軌轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品的獲得越來越方便，而且品種也越來越多樣。然而，供應(yīng)商和產(chǎn)品不同，其器件性能指標(biāo)和功能性就會有所不同。在系統(tǒng)設(shè)計中考慮采用轉(zhuǎn)換器時，必須考慮到器件的工作性能指標(biāo)。

　　對系統(tǒng)時序的影響是需要考慮的主要問題之一。緩沖器給系統(tǒng)增加了傳播延遲，由于它們的復(fù)雜性，這個傳播延遲對于雙軌轉(zhuǎn)換器是重要的，尤其是對較早的工藝，或者當(dāng)轉(zhuǎn)換需要跨越一個寬的電壓范圍時。當(dāng)轉(zhuǎn)換的幅度低于1.5V時，傳播時間可能超過10 ns。由于速度是重要因素，因此新式的轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品將減少延遲。

　　系統(tǒng)設(shè)計者需要考慮的另一個參數(shù)是輸出驅(qū)動。大多數(shù)雙軌轉(zhuǎn)換器以3.3V(24mA)的高壓進(jìn)行驅(qū)動，允許元件被用于要求使用電纜或者線路驅(qū)動的應(yīng)用。然而，一般而言，驅(qū)動電流是隨元件的電源電壓降低而成比例減少的，額定電壓為3.3V、輸出驅(qū)動為24 mA的元件，在1.9V時可能僅提供6mA的電流。輸出負(fù)載和時序預(yù)算的設(shè)計必須考慮到電源電壓和輸出驅(qū)動間的關(guān)系。

　　對具有雙電源的裝置而言，要考慮的最后一個問題是電源被施加到VCC和控制管腳的順序。轉(zhuǎn)換器控制管腳由雙電源中的一個電源進(jìn)行供電，因此，大多數(shù)轉(zhuǎn)換器要求對每個電源和控制管腳的供電要遵循一定的次序。如果電源先施加到輸入/輸出管腳，而后再施加給控制管腳，則有可能導(dǎo)致不可控的振蕩。如果控制管腳首先掉電，相同的問題也會出現(xiàn)。這個不可控狀態(tài)的可能結(jié)果包括：過大的功耗和系統(tǒng)損壞。因此，上電和掉電的先后次序必須得到嚴(yán)格地保證。新型的轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品則讓輸出在兩個電源都達(dá)到有效水平之前保持在高阻抗?fàn)顟B(tài)，從而解決了供電次序的問題。

結(jié)語

　　雖然還有其它一些可用于雙電源器件信號電平轉(zhuǎn)換的方法，但它們的使用局限于單向的由高到低轉(zhuǎn)換，而另外的一些選擇方案要求通過多個分立組件來解決轉(zhuǎn)換問題。對于空間有限的、由低到高或者雙向轉(zhuǎn)換的應(yīng)用，這些方法都不是最好的選擇。利用雙軌轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)設(shè)計，就可以保證轉(zhuǎn)換不出差錯且能防止系統(tǒng)受損。雙電源轉(zhuǎn)換器能確保兩個端口上的信號達(dá)到整個擺幅，消除了電壓高于或者低于電壓限帶來的問題，并且提供了簡單的、節(jié)省空間的轉(zhuǎn)換方法，以滿足任何性能方面的需求。■