一、应用场景

当两个不同供电电压的模块进行通信时，通信引脚会由于电平不匹配，从而通信传输错误，甚至产生电流倒灌，损坏芯片。例如5V或3.3V供电的MCU与蓝牙、4G模块进行通信时就需要进行电平转换。

二、典型电路

1．分压电阻构成的电平转换电路

工作原理：

如图8所示R2和R3构成分压，图中RXD端口电压=5V*2K/(1K+2K)≈ 3.3V。单片机的的TXD直接和终端设备的RXD之间没有分压，只是加一个电阻限流。

注意事项： 终端设备的高电压最小阈值应该小于等于3.3V。

优势：

（1）便宜：便宜是最大的优点，2个电阻一分钱不到；

（2）容易实现：电阻采购容易，占用面积小。

缺点：

（1）速度：分压法为了降低功耗，使用K级别以上的电阻，加上电路和器件的分布和寄生电容，会对信号的上升和下降时间产生不利影响，速率很难上去，一般只能应用于100K以内的频率。

（2）驱动能力：由于使用了大阻值的电阻，驱动能力被严格控制，并不适合需要高驱动能力的场合，例如LED灯等。

（3）电源依赖性： 分压电阻电路对电源电压的稳定性有一定的依赖性，如果电源电压波动较大，可能影响电平转换的准确性。

（4）对输入输出阻抗敏感： 由于分压电阻电路的输入阻抗会影响整个电路的性能，对输入和输出设备的阻抗匹配要求较高。

2．限流电阻构成的电平转换电路

工作原理：

如图9使用一个电阻限流的办法，实现两个不同电平之间的转换。具体的现实原理就是利用芯片的输入电流不超过某个值，例如使用的终端设备输入电流值不能超过20mA，即可认为是安全的，如果是5V转3.3V，需要电阻R1＞(5-3.3V)/20mA=85Ω，选择一个1K的电阻，则认为是安全的。因为芯片内部是可以等效一个负载电阻RL，与R1构成分压的关系。

优点：

（1）便宜：便宜是最大的优点，只需要一个电阻就可以解决。

（2）容易实现：电阻采购容易，占用面积小。

缺点：

使用电阻限流法需要十分熟悉芯片内部的构成，而且还要考虑限流后的电压范围。

3．二极管构成的单向电平转换电路

工作原理：

当输入端 3.3V_IN 为低电平时，D1导通，输出端 1.8V_OUT 为低电平，实现两端都为低电平。

当输入端 3.3V_IN 为高电平时，D1截止，输出端 被 R1 上拉至 1.8V ，为高电平，实现两端都为高电平。

优点：

（1）漏电流小：由于二极管的漏电流非常小(uA级)，可以防止电源倒灌。

（2）容易实现：二极管、电阻采购容易，占用面积小。

缺点：

（1）电平误差大：主要是二极管的正向压降较大，容易超出芯片的工作电压范围，低电平为二极管压降，所以尽量选择肖特基二极管。

（2) 不适用于高速信号：二极管的导通和截止时间可能引起信号失真。

（3) 非双向：只能将一个方向的信号进行转换。如果需要双向转换，可能需要使用更复杂的电平转换电路或其他器件。

（4)不适用于长距离通信：二极管电平转换更适用于短距离通信，对于长距离的信号传输来说，信号衰减和失真可能变得更为显著。

应用：

工作原理：

如图6中单片机的RXD为3.3V， 终端设备的TXD为5V。当终端设备输出为5V信号时，二极管D1不通，RXD通过上拉电阻R1被拉到单片机可接受的3.3V电平；当终端设备输出为低时，二极管D1导通，RXD通过二极管被拉至低电平，不过此时的低电平为二极管的正向导通压降，这个值一定要在单片机所能识别的低电平范围之内。

注意事项：

（1）终端设备RXD和单片机TXD直接连接的，所以终端设备能识别的高电平的最小阈值应该小于等于3.3V。

（2）单片机所能识别的低电平最大阈值应该大于等于二极管的管压降。

（3）考虑通信速率与低电平电压幅值，二极管选用高速肖特基二极管，并且VF尽量小。

4．三极管构成的单向电平转换电路

电路一：

工作原理：

当输入端为 低电平 0V的时候，三极管导通，输出端 与输入端导通，输出端被拉低到接近0V，实现两端都为低电平。

当输入端为 高电平的时候，三极管截止， 输出端 靠着上拉电阻（上图中的 R17、R19），变成高电平，实现两端都为高电平。

注意事项：

上图基区电压给 VDD_MCU 或者 VDD_EXT 都是可以的。但是下面部分的电路三极管基区的电压必须是 VDD_EXT 。

基极电阻：2kΩ~10kΩ。串口工作速率越大，电阻值越小

集电极电阻：4.7kΩ~10kΩ。串口工作速率越大，电阻值值越小。

电路二：

速率高时给基极加加速电容

工作原理：

当输入 S_IN 为低电平时，三极管 Q1关断，三极管 Q2 基极为高电平，导致 Q2 导通，输出端 S_OUT被拉低，实现两端都为低电平。

当输入 S_IN 为高电平 (VDD_EXT) 时，三极管 Q1 导通，三极管Q2关断，输出端 S_OUT 被 R4 拉高到 VDD_MCU，实现两端都为高电平。

优点：（1）便宜：三极管常见并且容易采购，价格低廉。

（2）驱动能力强：驱动能力取决于三极管，可以做到数十mA；

（3）漏电流低：IN 和OUT两者之间的漏电流较小(uA级别)，几乎可以忽略不计。

缺点：（1）速度：两级三极管属于电流驱动型，加上电路和寄生电容，转换后的波形不是十分理想。一般只能用于100K以内的信号转换。

（2）器件多：同相转换需要2个三极管以及配套的电阻，多路转换时占用空间较多。

5．MOS管构成的双向电平转换电路

工作原理：

从左向右看

当 S1A 为高电平 (VCC_S1) 时候，MOS管 VGS = 0， NM1 不导通，S2A 处电平被 R11 上拉为高电平(VCC_S2)，S2A也为高电平。两端都为高电平。

当 S1A 为低电平 时候，MOS管 VGS = VCC_S1， NM1 导通，S2A 的电平与 S1A相等，为低电平。两端都为低电平。

从右向左看

这里说明一下开漏输出，由于有上拉电阻，所以没有外部影响的正常情况下，S1A 和 S2A 默认都会是高电平。

当 S2A 为高电平 (VCC_S2) 时候：

假设左侧 S1A 为高电平（因为是开漏输出，所以左侧一般来说被 R10 上拉至高电平 (VCC_S1)，除非线上有低电平拉低，这里我们仍然分两种情况讨论），MOS管 VGS = 0， NM1 不导通，左侧依然被R10 上拉至高电平 (VCC_S1)。两端都为高电平。

假设左侧 S1A 为低电平（正常不会发生，原因就是开漏输出），MOS管 VGS = VCC_S1， NM1 导通，S2A 为高电平，所以会导致 S1A 电压上升，等 S1A 上升到 VCC_S1 的时候，NM1 截止，两端都变成高电平（除非开始使得 S1A 为低电平的外界因数一直存在，这是外部的问题不做过多讨论）。

当 S2A 为低电平时候：

正常情况下左侧 S1A 为高电平(VCC_S1)，MOS管 VGS = 0， NM1 不导通，但是由于 MOS 管的寄生二极管，会把 S1A 下拉至低电平（这个低电平不是0V，是比 S2A 高一个二极管压降，比如 0.7V），那么VGS =（VCC_S1 – 0.7V），使得 NM1导通，导通以后，那么 S1A 和 S1B 基本相等，两端都为低电平。

如果 S1A 开始就为低电平（正常不会发生），MOS管 VGS = VCC_S1， NM1 导通，S2A 的电平与 S1A相等，为低电平。两端都为低电平。

优点：（1）适用于低频信号电平转换，价格低廉。

（2）导通后，压降比三极管小。

（3）正反向双向导通，相当于机械开关。

注意事项：

1．该电路只能用于收发双方都是开集（Open Collector, OC）或开漏（Open Drain, OD）结构输出的双向信号线。比如常见的*I2C通讯*。

2．MOS管的S极要接到低电源那边，不能接反，VCC_S1 <= VCC_S2。

3．MOS管导通电压门限（Vth(GS)里面的最大值）需要小于低电源电压。

如图是2N7002的NMOS管的部分参数表，1V<Vgs<2.5V。如果5V和3.3V之间的互转，可以用这个MOS管。但如果是3.3V和1.8V之间的互转，就不能使用这个管子。因为导通门限电压是1~2.5V。因为可能会用到导通电压大于1.8V的器件，这样MOS管可能永远无法导通了。

4．低电平指等于或接近0V；高电平指等于或接近电源电压。所以3.3V电压域的器件，其高电平为等于或接近3.3V；5V电压域的器件，其高电平为等于或接近5V。具体要求看芯片的数据手册是怎么说明这个限定范围的，常见的比如说0.3倍的“芯片供电电压”以下为低电平，0.7倍的“芯片供电电压”以上为高电平。也就是说“芯片供电电压”为5V的时候，5 x 0.3 = 1.5V 以下为低电平，5 x 0.7 = 3.5V 以上为高电平。

6．电平转换芯片构成的双向电平转换电路

工作原理：

如图7使用专用的电平转换芯片进行电平转换，电平转换芯片为不同电压域之间的数据通讯及控制提供了方便。例如芯片TXB0102，作为一款双电源供电的双向电平转换芯片，通过检测外部端口的驱动电流来判别转换方向，因此不需要外部的方向控制管脚来选择控制器件转换的方向。因此在使用它时非常省事，软件上也无需考虑去更改它的转换方向。

优点：

（1) 驱动能力强：专用芯片的输出一般都使用了CMOS工艺，输出电流可以达到几十mA。

（2）漏电流几乎为0：内部是一些放大、比较器，输入阻抗非常高，一般都达到数百K；漏电流基本都是nA级别的。

（3) 路数较多：专用芯片针对不同的应用，从2路到数十路都有，十分适合对面积要求高的场合。

（4）速率高：专用芯片由于集成度较高，工艺较高，速率从数百K到数百M的频率都可以做。

缺点：

成本：专用芯片集众多优势于一身，但成本是最大的劣势，一个普通的数百K速率的4通道电平转换芯片，价格至少要1元人民币以上，如果使用三极管做，成本2毛钱都不到。

三、总结

上述几种电平转换方法是比较常见的方法，电平转换主要考虑以下几个方面：

（1）电平匹配：这个是前提，转换后的电平需要在对方可承受的范围之内。

（2）漏电流：两者之间不但电平要匹配，漏电流还不能互相影响。使用二极管电平转换做RS485输出，可能会出现外部设备的漏电流过来影响内部设备的开机，而且内部的设备启动时输出一堆乱码，影响对方正常工作。

（3）驱动能力：电平转换以后还要考虑驱动能力，例如I2C电平转换后，挂载多个I2C设备就需要考虑驱动能力的问题。

（4）速度：理论上，所有的电平转换都是有速度牺牲的，速度最优的方案是专用电平转换芯片，其次是三极管方案，最差的就是电阻分压方案。

（5）成本：在电路设计中除了考虑功能的要求外，还要兼顾下成本。

（6）路数：太复杂的转换方案不适合多路数的情况，会占据太多的面积。