双电源信号电平转换的优势

XJzy

[导读] 很多电子系统继续向更低的电压信号水平转移。这个发展潮流背后的动力是对减少功耗的需求。更快的整流速度和降很多电子系统继续向更低的电压信号水平转移。这个发展潮流背后的动力是对减少功耗的需求。更快的整流速度和降低信号噪声等方面的进步既方便了设计者，也向他们提出了新的挑战。

微处理器在向较低的电压水平进军的过程中一马当先。处理器I/O电压正从1.8V转移到1.5V，而内核电压能够低于1V。下一代微处理器甚至将采用更低的电压。外围设备组件的电压虽然也在降低，但水平通常落后于处理器一代左右。电压降低方面的发展不均带来了系统设计者必须解决的关键性难题——如何在信号电平之间进行可靠的转换。正确的信号电平可以保证系统的可靠工作，它们能够防止敏感IC因过高或者过低的电压条件而受损。

图1蜂窝电话中，处理器和相机IC之间的双轨装置

图2 在处理器和外围IC之间添加具有OVT功能的收发机。来自收发机和处理器的2.0V信号实现了幅度匹配，从收发机到外围设备的信号噪声裕量也非常小。

信号电平转换的问题和优点

未能达到供电电平的输入/输出电压会减少信号噪声的余量，信号要求精确定时也会引起占空度失真问题。超过最大输入电平的输入信号会造成过多的能量消耗，在电池供电的系统中特别不希望出现这种情况。在最坏的情况下，过压甚至会导致装置失效，超过最大电平几百mV的信号就足以损坏一个微处理器。

鉴于信号采用轨－轨形式而且在大多数情况下采用单个器件，双轨器件成为最简单、最可靠、最有效利用空间的转换方式(图1)。然而，双轨转换器亦有一些常采用的替代办法，每一种方法都具有各自的优、缺点。

有时，可能没有必要采用特殊的转换电路。当电压更低的装置有过压容限(over-voltage tolerant，OVT)输入时，就可以选用单向的、由高到低的转换。此外可以在信号通路中添加一个OVT缓冲器或者总线开关，来提供这一功能。在此种应用中，OVT缓冲器具有简易、低成本和低功耗的优点。然而，对于双向转换而言，低电压输出信号必须跨越高电压输入的开关门限。缺点包括占空度失真和高电压侧噪声裕度降低(图2)。

对于要求由低向高或者双向转换电平的应用，可以将漏极开路缓冲器和外接上拉电阻组合起来使用。利用这种方法，缓冲器以较低电压工作，通过使用外部上拉电阻把输出电平设置为高电压(每路输出有一个上拉电阻)。虽然能解决双向和由低到高的转换问题，但这种做法也增加了元器件的数目、电路板的占用空间、能量消耗，而且常常影响到占空度失真。

定制的转换器也能基于分立式的场效应管(FET)来设计。定制设计通过提供精确的比特宽度和所要求的功率而具有灵活的特点；但是定制也增加了器件数量，由于装配成本上升，系统成本和所需的板上空间也随之增加。定制还会拖长设计时间，增加了开发进度不能按时完成的危险。

最可靠方便的选择是双轨转换器，它保证在装置的两端都能有正确的输入/输出电压。通过将独立的电源管脚连接到适当的电源上，可以设定信号电平。于是，转换器输入/输出电平就可以相应的随着电源电压而变化。双轨转换器消除了设计和成本的难题，提供了一种经过检验的、现成的装置，允许设计者配置元件每一端的输入/输出信号，使其恰好变化到所需的电压上，同时尽量减少需要外加的器件数。由电压摆动引起的问题，比如没有达到信号电平，或者超过了额定值，都将由此而消除。

双轨转换系统设计要考虑的问题

虽然双轨转换器提供了最简单的电压电平转换方法，但是其具体实现还存在问题。双轨转换器产品的获得越来越方便，而且品种也越来越多样。然而，供应商和产品不同，其器件性能指标和功能性就会有所不同。在系统设计中考虑采用转换器时，必须考虑到器件的工作性能指标。

对系统时序的影响是需要考虑的主要问题之一。缓冲器给系统增加了传播延迟，由于它们的复杂性，这个传播延迟对于双轨转换器是重要的，尤其是对较早的工艺，或者当转换需要跨越一个宽的电压范围时。当转换的幅度低于1.5V时，传播时间可能超过10 ns。由于速度是重要因素，因此新式的转换器产品将减少延迟。

系统设计者需要考虑的另一个参数是输出驱动。大多数双轨转换器以3.3V(24mA)的高压进行驱动，允许元件被用于要求使用电缆或者线路驱动的应用。然而，一般而言，驱动电流是随元件的电源电压降低而成比例减少的，额定电压为3.3V、输出驱动为24 mA的元件，在1.9V时可能仅提供6mA的电流。输出负载和时序预算的设计必须考虑到电源电压和输出驱动间的关系。

对具有双电源的装置而言，要考虑的最后一个问题是电源被施加到VCC和控制管脚的顺序。转换器控制管脚由双电源中的一个电源进行供电，因此，大多数转换器要求对每个电源和控制管脚的供电要遵循一定的次序。如果电源先施加到输入/输出管脚，而后再施加给控制管脚，则有可能导致不可控的振荡。如果控制管脚首先掉电，相同的问题也会出现。这个不可控状态的可能结果包括：过大的功耗和系统损坏。因此，上电和掉电的先后次序必须得到严格地保证。新型的转换器产品则让输出在两个电源都达到有效水平之前保持在高阻抗状态，从而解决了供电次序的问题。

结语

虽然还有其它一些可用于双电源器件信号电平转换的方法，但它们的使用局限于单向的由高到低转换，而另外的一些选择方案要求通过多个分立组件来解决转换问题。对于空间有限的、由低到高或者双向转换的应用，这些方法都不是最好的选择。利用双轨转换器实现设计，就可以保证转换不出差错且能防止系统受损。双电源转换器能确保两个端口上的信号达到整个摆幅，消除了电压高于或者低于电压限带来的问题，并且提供了简单的、节省空间的转换方法，以满足任何性能方面的需求。