標(biāo)準(zhǔn)三端線性穩(wěn)壓器的壓差通常是2.0-3.0V。要把5V可靠地轉(zhuǎn)換為3.3V，就不能使用它們。壓差為幾百個毫伏的低壓降（LowDropout，LDO）穩(wěn)壓器，是此類應(yīng)用的理想選擇。圖1-1是基本LDO系統(tǒng)的框圖，標(biāo)注了相應(yīng)的電流。從圖中可以看出，LDO由四個主要部分組成：

技巧一：使用LDO穩(wěn)壓器，從5V電源向3.3V系統(tǒng)供電

標(biāo)準(zhǔn)三端線性穩(wěn)壓器的壓差通常是2.0-3.0V。要把5V可靠地轉(zhuǎn)換為3.3V，就不能使用它們。壓差為幾百個毫伏的低壓降（LowDropout，LDO）穩(wěn)壓器，是此類應(yīng)用的理想選擇。圖1-1是基本LDO系統(tǒng)的框圖，標(biāo)注了相應(yīng)的電流。從圖中可以看出，LDO由四個主要部分組成：

1.導(dǎo)通晶體管

2.帶隙參考源

3.運算放大器

4.反饋電阻分壓器

在選擇LDO時，重要的是要知道如何區(qū)分各種LDO。器件的靜態(tài)電流、封裝大小和型號是重要的器件參數(shù)。根據(jù)具體應(yīng)用來確定各種參數(shù)，將會得到最優(yōu)的設(shè)計。

LDO的靜態(tài)電流IQ是器件空載工作時器件的接地電流IGND。IGND是LDO用來進(jìn)行穩(wěn)壓的電流。當(dāng)IOUTIQ時，LDO的效率可用輸出電壓除以輸入電壓來近似地得到。然而，輕載時，必須將IQ計入效率計算中。具有較低IQ的LDO其輕載效率較高。輕載效率的提高對于LDO性能有負(fù)面影響。靜態(tài)電流較高的LDO對于線路和負(fù)載的突然變化有更快的響應(yīng)。

技巧二：采用齊納二極管的低成本供電系統(tǒng)

這里詳細(xì)說明了一個采用齊納二極管的低成本穩(wěn)壓器方案。

可以用齊納二極管和電阻做成簡單的低成本3.3V穩(wěn)壓器，如圖2-1所示。在很多應(yīng)用中，該電路可以替代LDO穩(wěn)壓器并具成本效益。但是，這種穩(wěn)壓器對負(fù)載敏感的程度要高于LDO穩(wěn)壓器。另外，它的能效較低，因為R1和D1始終有功耗。R1限制流入D1和PICmicroMCU的電流，從而使VDD保持在允許范圍內(nèi)。由于流經(jīng)齊納二極管的電流變化時，二極管的反向電壓也將發(fā)生改變，所以需要仔細(xì)考慮R1的值。

R1的選擇依據(jù)是：在最大負(fù)載時通常是在PICmicroMCU運行且驅(qū)動其輸出為高電平時R1上的電壓降要足夠低從而使PICmicroMCU有足以維持工作所需的電壓。同時，在最小負(fù)載時通常是PICmicroMCU復(fù)位時VDD不超過齊納二極管的額定功率，也不超過PICmicroMCU的最大VDD。

技巧三：采用3個整流二極管的更低成本供電系統(tǒng)

圖3-1詳細(xì)說明了一個采用3個整流二極管的更低成本穩(wěn)壓器方案。

我們也可以把幾個常規(guī)開關(guān)二極管串聯(lián)起來，用其正向壓降來降低進(jìn)入的PICmicroMCU的電壓。這甚至比齊納二極管穩(wěn)壓器的成本還要低。這種設(shè)計的電流消耗通常要比使用齊納二極管的電路低。

所需二極管的數(shù)量根據(jù)所選用二極管的正向電壓而變化。二極管D1-D3的電壓降是流經(jīng)這些二極管的電流的函數(shù)。連接R1是為了避免在負(fù)載最小時通常是PICmicroMCU處于復(fù)位或休眠狀態(tài)時PICmicroMCUVDD引腳上的電壓超過PICmicroMCU的最大VDD值。根據(jù)其他連接至VDD的電路，可以提高R1的阻值，甚至也可能完全不需要R1。二極管D1-D3的選擇依據(jù)是：在最大負(fù)載時通常是PICmicroMCU運行且驅(qū)動其輸出為高電平時D1-D3上的電壓降要足夠低從而能夠滿足PICmicroMCU的最低VDD要求。

技巧四：使用開關(guān)穩(wěn)壓器，從5V電源向3.3V系統(tǒng)供電

如圖4-1所示，降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種基于電感的轉(zhuǎn)換器，用來把輸入電壓源降低至幅值較低的輸出電壓。輸出穩(wěn)壓是通過控制MOSFETQ1的導(dǎo)通（ON）時間來實現(xiàn)的。由于MOSFET要么處于低阻狀態(tài)，要么處于高阻狀態(tài)（分別為ON和OFF），因此高輸入源電壓能夠高效率地轉(zhuǎn)換成較低的輸出電壓。

當(dāng)Q1在這兩種狀態(tài)期間時，通過平衡電感的電壓-時間，可以建立輸入和輸出電壓之間的關(guān)系。

對于MOSFETQ1，有下式：

在選擇電感的值時，使電感的最大峰-峰紋波電流等于最大負(fù)載電流的百分之十的電感值，是個很好的初始選擇。

在選擇輸出電容值時，好的初值是：使LC濾波器特性阻抗等于負(fù)載電阻。這樣在滿載工作期間如果突然卸掉負(fù)載，電壓過沖能處于可接受范圍之內(nèi)。

在選擇二極管D1時，應(yīng)選擇額定電流足夠大的元件，使之能夠承受脈沖周期（IL）放電期間的電感電流。

數(shù)字連接

在連接兩個工作電壓不同的器件時，必須要知道其各自的輸出、輸入閾值。知道閾值之后，可根據(jù)應(yīng)用的其他需求選擇器件的連接方法。表4-1是本文檔所使用的輸出、輸入閾值。在設(shè)計連接時，請務(wù)必參考制造商的數(shù)據(jù)手冊以獲得實際的閾值電平。

技巧五：3.3V5V直接連接

將3.3V輸出連接到5V輸入最簡單、最理想的方法是直接連接。直接連接需要滿足以下2點要求：

bull3.3V輸出的VOH大于5V輸入的VIH

bull3.3V輸出的VOL小于5V輸入的VIL

能夠使用這種方法的例子之一是將3.3VLVCMOS輸出連接到5VTTL輸入。從表4-1中所給出的值可以清楚地看到上述要求均滿足。

3.3VLVCMOS的VOH（3.0V）大于5VTTL的VIH（2.0V）且3.3VLVCMOS的VOL（0.5V）小于5VTTL的VIL（0.8V）。

如果這兩個要求得不到滿足，連接兩個部分時就需要額外的電路。可能的解決方案請參閱技巧6、7、8和13。

技巧六：3.3V5V使用MOSFET轉(zhuǎn)換器

如果5V輸入的VIH比3.3VCMOS器件的VOH要高，則驅(qū)動任何這樣的5V輸入就需要額外的電路。圖6-1所示為低成本的雙元件解決方案。

在選擇R1的阻值時，需要考慮兩個參數(shù)，即：輸入的開關(guān)速度和R1上的電流消耗。當(dāng)把輸入從0切換到1時，需要計入因R1形成的RC時間常數(shù)而導(dǎo)致的輸入上升時間、5V輸入的輸入容抗以及電路板上任何的雜散電容。輸入開關(guān)速度可通過下式計算：

由于輸入容抗和電路板上的雜散電容是固定的，提高輸入開關(guān)速度的惟一途徑是降低R1的阻值。而降低R1阻值以獲取更短的開關(guān)時間，卻是以增大5V輸入為低電平時的電流消耗為代價的。通常，切換到0要比切換到1的速度快得多，因為N溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻要遠(yuǎn)小于R1。另外，在選擇N溝道FET時，所選FET的VGS應(yīng)低于3.3V輸出的VOH。

技巧七：3.3V5V使用二極管補償

表7-1列出了5VCMOS的輸入電壓閾值、3.3VLVTTL和LVCMOS的輸出驅(qū)動電壓。

從上表看出，5VCMOS輸入的高、低輸入電壓閾值均比3.3V輸出的閾值高約一伏。因此，即使來自3.3V系統(tǒng)的輸出能夠被補償，留給噪聲或元件容差的余地也很小或者沒有。我們需要的是能夠補償輸出并加大高低輸出電壓差的電路。

輸出電壓規(guī)范確定后，就已經(jīng)假定：高輸出驅(qū)動的是輸出和地之間的負(fù)載，而低輸出驅(qū)動的是3.3V和輸出之間的負(fù)載。如果高電壓閾值的負(fù)載實際上是在輸出和3.3V之間的話，那么輸出電壓實際上要高得多，因為拉高輸出的機制是負(fù)載電阻，而不是輸出三極管。

如果我們設(shè)計一個二極管補償電路（見圖7-1），二極管D1的正向電壓（典型值0.7V）將會使輸出低電壓上升，在5VCMOS輸入得到1.1V至1.2V的低電壓。它安全地處于5VCMOS輸入的低輸入電壓閾值之下。輸出高電壓由上拉電阻和連至3.3V電源的二極管D2確定。這使得輸出高電壓大約比3.3V電源高0.7V，也就是4.0到4.1V，很安全地在5VCMOS輸入閾值（3.5V）之上。

注：為了使電路工作正常，上拉電阻必須顯著小于5VCMOS輸入的輸入電阻，從而避免由于輸入端電阻分壓器效應(yīng)而導(dǎo)致的輸出電壓下降。上拉電阻還必須足夠大，從而確保加載在3.3V輸出上的電流在器件規(guī)范之內(nèi)。

技巧八：3.3V5V使用電壓比較器

比較器的基本工作如下：

bull反相（-）輸入電壓大于同相（+）輸入電壓時，比較器輸出切換到Vss。

bull同相（+）輸入端電壓大于反相（-）輸入電壓時，比較器輸出為高電平。

為了保持3.3V輸出的極性，3.3V輸出必須連接到比較器的同相輸入端。比較器的反相輸入連接到由R1和R2確定的參考電壓處，如圖8-1所示。

計算R1和R2

R1和R2之比取決于輸入信號的邏輯電平。對于3.3V輸出，反相電壓應(yīng)該置于VOL與VOH之間的中點電壓。對于LVCMOS輸出，中點電壓為：

如果R1和R2的邏輯電平關(guān)系如下，

若R2取值為1K，則R1為1.8K。

經(jīng)過適當(dāng)連接后的運算放大器可以用作比較器，以將3.3V輸入信號轉(zhuǎn)換為5V輸出信號。這是利用了比較器的特性，即：根據(jù)反相輸入與同相輸入之間的壓差幅值，比較器迫使輸出為高（VDD）或低（Vss）電平。

注：要使運算放大器在5V供電下正常工作，輸出必須具有軌到軌驅(qū)動能力。

技巧九：5V3.3V直接連接

通常5V輸出的VOH為4.7伏，VOL為0.4伏；而通常3.3VLVCMOS輸入的VIH為0.7xVDD，VIL為0.2xVDD。

當(dāng)5V輸出驅(qū)動為低時，不會有問題，因為0.4伏的輸出小于0.8伏的輸入閾值。當(dāng)5V輸出為高時，4.7伏的VOH大于2.1伏VIH，所以，我們可以直接把兩個引腳相連，不會有沖突，前提是3.3VCMOS輸出能夠耐受5伏電壓。

如果3.3VCMOS輸入不能耐受5伏電壓，則將出現(xiàn)問題，因為超出了輸入的最大電壓規(guī)范?？赡艿慕鉀Q方案請參見技巧10-13。

技巧十：5V3.3V使用二極管鉗位

很多廠商都使用鉗位二極管來保護(hù)器件的I/O引腳，防止引腳上的電壓超過最大允許電壓規(guī)范。鉗位二極管使引腳上的電壓不會低于Vss超過一個二極管壓降，也不會高于VDD超過一個二極管壓降。要使用鉗位二極管來保護(hù)輸入，仍然要關(guān)注流經(jīng)鉗位二極管的電流。流經(jīng)鉗位二極管的電流應(yīng)該始終比較?。ㄔ谖矓?shù)量級上）。如果流經(jīng)鉗位二極管的電流過大，就存在部件閉鎖的危險。由于5V輸出的源電阻通常在10左右，因此仍需串聯(lián)一個電阻，限制流經(jīng)鉗位二極管的電流，如圖10-1所示。使用串聯(lián)電阻的后果是降低了輸入開關(guān)的速度，因為引腳（CL）上構(gòu)成了RC時間常數(shù)。

如果沒有鉗位二極管，可以在電流中添加一個外部二極管，如圖10-2所示。

技巧十一：5V3.3V有源鉗位

使用二極管鉗位有一個問題，即它將向3.3V電源注入電流。在具有高電流5V輸出且輕載3.3V電源軌的設(shè)計中，這種電流注入可能會使3.3V電源電壓超過3.3V。為了避免這個問題，可以用一個三極管來替代，三極管使過量的輸出驅(qū)動電流流向地，而不是3.3V電源。設(shè)計的電路如圖11-1所示。

Q1的基極-發(fā)射極結(jié)所起的作用與二極管鉗位電路中的二極管相同。區(qū)別在于，發(fā)射極電流只有百分之幾流出基極進(jìn)入3.3V軌，絕大部分電流都流向集電極，再從集電極無害地流入地?；鶚O電流與集電極電流之比，由晶體管的電流增益決定，通常為10-400，取決于所使用的晶體管。

技巧十二：5V3.3V電阻分壓器

可以使用簡單的電阻分壓器將5V器件的輸出降低到適用于3.3V器件輸入的電平。這種接口的等效電路如圖12-1所示。

通常，源電阻RS非常?。ㄐ∮?0），如果選擇的R1遠(yuǎn)大于RS的話，那么可以忽略RS對R1的影響。在接收端，負(fù)載電阻RL非常大（大于500k），如果選擇的R2遠(yuǎn)小于RL的話，那么可以忽略RL對R2的影響。

在功耗和瞬態(tài)時間之間存在取舍權(quán)衡。為了使接口電流的功耗需求最小，串聯(lián)電阻R1和R2應(yīng)盡可能大。但是，負(fù)載電容（由雜散電容CS和3.3V器件的輸入電容CL合成）可能會對輸入信號的上升和下降時間產(chǎn)生不利影響。如果R1和R2過大，上升和下降時間可能會過長而無法接受。

如果忽略RS和RL的影響，則確定R1和R2的式子由下面的公式12-1給出。

公式12-2給出了確定上升和下降時間的公式。為便于電路分析，使用戴維寧等效計算來確定外加電壓VA和串聯(lián)電阻R。戴維寧等效計算定義為開路電壓除以短路電流。根據(jù)公式12-2所施加的限制，對于圖12-1所示電路，確定的戴維寧等效電阻R應(yīng)為0.66*R1，戴維寧等效電壓VA應(yīng)為0.66*VS。

例如，假設(shè)有下列條件存在：

bull雜散電容=30pF

bull負(fù)載電容=5pF

bull從0.3V至3V的最大上升時間le1s

bull外加源電壓Vs=5V

確定最大電阻的計算如公式12-3所示。

技巧十三：3.3V5V電平轉(zhuǎn)換器

盡管電平轉(zhuǎn)換可以分立地進(jìn)行，但通常使用集成解決方案較受歡迎。電平轉(zhuǎn)換器的使用范圍比較廣泛：有單向和雙向配置、不同的電壓轉(zhuǎn)換和不同的速度，供用戶選擇最佳的解決方案。

器件之間的板級通訊（例如，MCU至外設(shè)）通過SPI或I2C來進(jìn)行，這是最常見的。對于SPI，使用單向電平轉(zhuǎn)換器比較合適；對于I2C，就需要使用雙向解決方案。下面的圖13-1顯示了這兩種解決方案。

模擬

3.3V至5V接口的最后一項挑戰(zhàn)是如何轉(zhuǎn)換模擬信號，使之跨越電源障礙。低電平信號可能不需要外部電路，但在3.3V與5V之間傳送信號的系統(tǒng)則會受到電源變化的影響。例如，在3.3V系統(tǒng)中，ADC轉(zhuǎn)換1V峰值的模擬信號，其分辨率要比5V系統(tǒng)中ADC轉(zhuǎn)換的高，這是因為在3.3VADC中，ADC量程中更多的部分用于轉(zhuǎn)換。但另一方面，3.3V系統(tǒng)中相對較高的信號幅值，與系統(tǒng)較低的共模電壓限制可能會發(fā)生沖突。

因此，為了補償上述差異，可能需要某種接口電路。本節(jié)將討論接口電路，以幫助緩和信號在不同電源之間轉(zhuǎn)換的問題。

技巧十四：3.3V5V模擬增益模塊

從3.3V電源連接至5V時，需要提升模擬電壓。33k和17k電阻設(shè)定了運放的增益，從而在兩端均使用滿量程。11k電阻限制了流回3.3V電路的電流。

技巧十五：3.3V5V模擬補償模塊

該模塊用于補償3.3V轉(zhuǎn)換到5V的模擬電壓。下面是將3.3V電源供電的模擬電壓轉(zhuǎn)換為由5V電源供電。右上方的147k、30.1k電阻以及+5V電源，等效于串聯(lián)了25k電阻的0.85V電壓源。這個等效的25k電阻、三個25k電阻以及運放構(gòu)成了增益為1V/V的差動放大器。0.85V等效電壓源將出現(xiàn)在輸入端的任何信號向上平移相同的幅度；以3.3V/2=1.65V為中心的信號將同時以5.0V/2=2.50V為中心。左上方的電阻限制了來自5V電路的電流。

技巧十六：5V3.3V有源模擬衰減器

此技巧使用運算放大器衰減從5V至3.3V系統(tǒng)的信號幅值。

要將5V模擬信號轉(zhuǎn)換為3.3V模擬信號，最簡單的方法是使用R1:R2比值為1.7:3.3的電阻分壓器。然而，這種方法存在一些問題。

1）衰減器可能會接至容性負(fù)載，構(gòu)成不期望得到的低通濾波器。

2）衰減器電路可能需要從高阻抗源驅(qū)動低阻抗負(fù)載。

無論是哪種情形，都需要運算放大器用以緩沖信號。

所需的運放電路是單位增益跟隨器（見圖16-1）。

電路輸出電壓與加在輸入的電壓相同。

為了把5V信號轉(zhuǎn)換為較低的3V信號，我們只要加上電阻衰減器即可。

如果電阻分壓器位于單位增益跟隨器之前，那么將為3.3V電路提供最低的阻抗。此外，運放可以從3.3V供電，這將節(jié)省一些功耗。如果選擇的X非常大的話，5V側(cè)的功耗可以最大限度地減小。

如果衰減器位于單位增益跟隨器之后，那么對5V源而言就有最高的阻抗。運放必須從5V供電，3V側(cè)的阻抗將取決于R1||R2的值。

技巧十七：5V3.3V模擬限幅器

在將5V信號傳送給3.3V系統(tǒng)時，有時可以將衰減用作增益。如果期望的信號小于5V，那么把信號直接送入3.3VADC將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)換值。當(dāng)信號接近5V時就會出現(xiàn)危險。所以，需要控制電壓越限的方法，同時不影響正常范圍中的電壓。這里將討論三種實現(xiàn)方法。

1.使用二極管，鉗位過電壓至3.3V供電系統(tǒng)。

2.使用齊納二極管，把電壓鉗位至任何期望的電壓限。

3.使用帶二極管的運算放大器，進(jìn)行精確鉗位。

進(jìn)行過電壓鉗位的最簡單的方法，與將5V數(shù)字信號連接至3.3V數(shù)字信號的簡單方法完全相同。使用電阻和二極管，使過量電流流入3.3V電源。選用的電阻值必須能夠保護(hù)二極管和3.3V電源，同時還不會對模擬性能造成負(fù)面影響。如果3.3V電源的阻抗太低，那么這種類型的鉗位可能致使3.3V電源電壓上升。即使3.3V電源有很好的低阻抗，當(dāng)二極管導(dǎo)通時，以及在頻率足夠高的情況下，當(dāng)二極管沒有導(dǎo)通時（由于有跨越二極管的寄生電容），此類鉗位都將使輸入信號向3.3V電源施加噪聲。

為了防止輸入信號對電源造成影響，或者為了使輸入應(yīng)對較大的瞬態(tài)電流時更為從容，對前述方法稍加變化，改用齊納二極管。齊納二極管的速度通常要比第一個電路中所使用的快速信號二極管慢。不過，齊納鉗位一般來說更為結(jié)實，鉗位時不依賴于電源的特性參數(shù)。鉗位的大小取決于流經(jīng)二極管的電流。這由R1的值決定。如果VIN源的輸出阻抗足夠大的話，也可不需要R1。

如果需要不依賴于電源的更為精確的過電壓鉗位，可以使用運放來得到精密二極管。電路如圖17-3所示。運放補償了二極管的正向壓降，使得電壓正好被鉗位在運放的同相輸入端電源電壓上。如果運放是軌到軌的話，可以用3.3V供電。

由于鉗位是通過運放來進(jìn)行的，不會影響到電源。

運放不能改善低電壓電路中出現(xiàn)的阻抗，阻抗仍為R1加上源電路阻抗。

技巧十八：驅(qū)動雙極型晶體管

在驅(qū)動雙極型晶體管時，基極驅(qū)動電流和正向電流增益（Beta/hFE）將決定晶體管將吸納多少電流。如果晶體管被單片機I/O端口驅(qū)動，使用端口電壓和端口電流上限（典型值20mA）來計算基極驅(qū)動電流。如果使用的是3.3V技術(shù)，應(yīng)改用阻值較小的基極電流限流電阻，以確保有足夠的基極驅(qū)動電流使晶體管飽和。

RBASE的值取決于單片機電源電壓。公式18-1說明了如何計算RBASE。

如果將雙極型晶體管用作開關(guān)，開啟或關(guān)閉由單片機I/O端口引腳控制的負(fù)載，應(yīng)使用最小的hFE規(guī)范和裕度，以確保器件完全飽和。

3V技術(shù)示例：

對于這兩個示例，提高基極電流留出裕度是不錯的做法。將1mA的基極電流驅(qū)動至2mA能確保飽和，但代價是提高了輸入功耗。

技巧十九：驅(qū)動N溝道MOSFET晶體管

在選擇與3.3V單片機配合使用的外部N溝道MOSFET時，一定要小心。MOSFET柵極閾值電壓表明了器件完全飽和的能力。對于3.3V應(yīng)用，所選MOSFET的額定導(dǎo)通電阻應(yīng)針對3V或更小的柵極驅(qū)動電壓。例如，對于具有3.3V驅(qū)動的100mA負(fù)載，額定漏極電流為250A的FET在柵極-源極施加1V電壓時，不一定能提供滿意的結(jié)果。在從5V轉(zhuǎn)換到3V技術(shù)時，應(yīng)仔細(xì)檢查柵極-源極閾值和導(dǎo)通電阻特性參數(shù)，如圖19-1所示。稍微減少柵極驅(qū)動電壓，可以顯著減小漏電流。

對于MOSFET，低閾值器件較為常見，其漏－源電壓額定值低于30V。漏－源額定電壓大于30V的MOSFET，通常具有更高的閾值電壓（VT）。

如表19-1所示，此30VN溝道MOSFET開關(guān)的閾值電壓是0.6V。柵極施加2.8V的電壓時，此MOSFET的額定電阻是35m，因此，它非常適用于3.3V應(yīng)用。

對于IRF7201數(shù)據(jù)手冊中的規(guī)范，柵極閾值電壓最小值規(guī)定為1.0V。這并不意味著器件可以用來在1.0V柵-源電壓時開關(guān)電流，因為對于低于4.5V的VGS（th），沒有說明規(guī)范。對于需要低開關(guān)電阻的3.3V驅(qū)動的應(yīng)用，不建議使用IRF7201，但它可以用于5V驅(qū)動應(yīng)用。