应用于智能手机的逻辑电平转换方案

近一两年来，在苹果公司iPhone手机的带动下，智能手机市场迅速扩大。智能手机等便携产品的一个重要特点是功能越来越多，从而支持更广泛的消费需求。但智能手机等便携产品内部用于支持不同功能的集成电路(IC)或模块的工作电压往往不同，如基带处理器和应用处理器电压一般在1.5 V至1.8 V之间，而现有许多外设工作电压一般为2.6至3.3 V，如USIM卡、Wi-Fi模块、调频(FM)调谐器模块工作电压为2.8 V，而相机模块为2.7 V。

　　因此，智能手机等便携产品中的不同IC与外设模块之间存在输入/输出电压失配问题，要使这些器件与模块之间互相通信，需要高效的逻辑电压电平转换。所谓的逻辑电平转换器即连接不同工作电压的IC与模块或印制电路板(PCB)，提供系统集成解决方案。

　　传统逻辑电平转换方法及其优缺点

   
   
                                                                     图1：逻辑电平转换器应用示意图。
  
   
   
                                                                           表1：传统逻辑电平转换方法及优缺点。

　　由于晶体管-晶体管逻辑(TTL)和互补金属氧化物半导体(CMOS)是逻辑电路中的标准电平，因传统逻辑电平转换方法中，TTL-CMOS输入转换很常见。这种转换方法简单，成本低，主要用于低电平至高电平转换，也能用于转换高电平至低电平。这种转换方法也存在一些缺点。其它传统逻辑电平转换方法还有过压容限(OVT)电压转换、漏极开路(OD)/有源下拉转换和分立I2C转换等，各有其优缺点，参见表1。

　　双电源逻辑电平转换及应用

　　逻辑电平转换中会消耗功率。例如，在低至高电平转换中，为了输出高逻辑电平，输入电压(Vin)低于VCC，电源电流变化(ΔICC)始终较高，因此功耗也较高。为了解决高功耗的问题，可以采用双电源电压(VCCA及VCCB)逻辑电平转换器，在逻辑电源电压(VL)等于Vin时，ΔICC就为0，从而降低功耗。

　　常见双电源逻辑电平转换包括单向转换、带方向控制引脚的双向转换、自动感测双向转换(推挽型输出)及用于漏极开路应用(如I2C)的自动感测双向转换等，结构示意图如图2所示。
  
   
   
                                                                              图2：几种双电源逻辑电平转换器的结构示意图。

　　在这些双电源逻辑电平转换方法中，单向逻辑电平转换的原理就是在输出启用(Output Enable,)为低电平时，提供A点至B点转换；而在输出启用为高电平时，A、B之间呈现高阻态(Hi-Z)，通常当作电阻无穷大来处理，相当于没有接通。常见的双电源单向逻辑电平转换器有如安森美半导体的NLSV1T34AMX1TCG、NLSV2T244MUTAG、 NLSV4T3234FCT1G、NLSV8T244MUTAG、NLSV22T244MUTAG等。这些双电源单向逻辑电平转换器的应用包括通用输入输出(GPIO)端口、串行外设接口(SPI)端口和通用串行总线(USB)端口等。

　　带方向控制引脚的双向逻辑电平转换器的工作原理是：引脚和方向控制(DIRection，T/)引脚均为低电平时，提供B点至A点转换；引脚为低电平、T /引脚为高电平时，提供A点至B点转换；而在引脚为高电平时，A点至B点方向和B点至A点方向均处于高阻态，相当于没有接通。安森美半导体即将推出带方向控制引脚的双向逻辑电平转换器。这类转换器的常见应用是以字节(byte)访问的存储器及I/O器件。

　　自动感测双向逻辑电平转换器(推挽型输出)的工作原理是：启用(EN)引脚为低电平时，转换器处于待机状态；EN引脚为高电平、I/O电平不变时，转换器处于稳态；EN引脚为高电平、I/O电平变化时，转换器检测到变化，并产生脉冲，I/O藉P沟道MOSFET(PMOS)上拉至更快。典型的自动感测方向双向逻辑电平转换器(推挽型输出)有如安森美半导体的NLSX3012MUTAG、NLSX3013FCT1G、NLSX3013BFCT1G、 NLSX4014MUTAG和NLSX3018MUTAG等。这类转换器的常见应用包括通用异步收发器(UART)、USB端口、4线SPI端口和3线 SPI端口等。