電壓轉換芯片原理和TI雙向電壓轉換解決方案介紹

作者：Xiaoxiang Liu

1. 電壓轉換芯片介紹

       如今整個電路系統，性能越來越強大，功耗要求越來越低，其設計也越來越復雜，更低的工作電壓的元器件應運而生。但是這種復雜系統內各個元器件之間的工作電壓并不相同。例如，當一個元器件的輸出電壓為1.8V，而另一個元器件的輸入電壓要求為3.3V時，這個時候就會出現電路系統內部元器件之間電壓不匹配的情況。

       為了讓整個電路系統中的各種器件能夠耦合使用，讓整個系統設計能夠落地，就需要使用對應的電壓轉換芯片，如圖1所示。TI提供了多種電壓轉換器，包括雙電源電平轉換器、自動方向感應轉換器以及用于推挽緩沖和開漏應用的自動方向感應轉換器等。      

       本文以TI的TXS和TXB系列電壓轉換芯片，介紹了電壓轉換芯片的工作原理和設計注意事項，有助于工程師設計出集成度更高，棒性更好的系統方案。

圖1， 電壓匹配示意圖

2 電壓轉換芯片原理

2.1 單向電壓轉換芯片原理

       電壓轉換芯片分為單向電壓轉換芯片和雙向電壓轉換芯片。最簡單的方案為單個MOSFET組成的單向電壓轉換芯片，其工作原理如下圖1所示。

       當柵極G輸入為低電平L時的時候，VGS < 閾值，MOSFET截至，此時漏極D為高電平H（VCC），如圖2-A；而當柵極G輸入為高電平H的時候， VGS > 閾值，MOSFET導通，此時漏極D輸出為低電平L(0V)， 如圖2-B，這種情況輸入和輸出會反向。

圖2 單向電壓轉換芯片工作原理

2.2 雙向電壓轉換芯片原理

       在一些應用中，存在發送端和接收端會互換的情況，如IIC、MDIO、SPI等需要雙向通信的情況下，就需要使用雙向電壓轉換芯片。其工作原理如下：

       如果輸出為左邊。當左側輸入高電平H(輸入電壓為VCCA)時，由于VGS<閾值，所以MOSFET截至，右側輸出電壓為VCCB），如圖3-A所示；當左側D0輸入低電平L（0V）時，由于VGS = VCCA > 閾值，所以MOSFET導通，右側輸出電壓為低電平0V，如圖3-B所示。

圖3 雙向電壓轉換芯片工作原理1

       當右側輸入高電平H時，由于左側初始為高電平VCCA，VGS = 0<閾值，MOSFET截至，如圖4-A所示；右側輸入L的時候，原本VS=VG = VCCA，VGS = 0，MOSFET截至，但是由于場效應管有一個寄生二極管，它會將左側輸出下拉至一個二極管的導通電壓，此電壓在0.3V到0.7V之間，所以這里我們可以認為左側輸出為低電平。此時VGS（3.3V-0.7V=2.6V）大于場效應管的柵極閾值電壓而使MOSFET導通，導通后右側輸入和左側輸出為同一電壓0V，如圖4-B所示。

圖4 雙向電壓轉換芯片工作原理2

3 TI電壓轉換芯片解決方案

3.1 TXS雙向自動方向檢測電壓轉換器

       TXS雙向自動方向檢測電壓轉換器，可以與漏極開路以及推挽式驅動配合，最大速率可到24Mbps(推挽，開漏2Mbps最高速率)。需要注意A端口跟蹤VCCA，而B端口跟蹤VCCB。VCCA的電壓必須低于或等于VCCB的電壓。VCCA可以接受介于1.65 V和3.6 V之間的任意供電電壓，而VCCB可以接受2.3 V至5.5 V的任意供電電壓。這些電源軌可以在任何的1.8 V、2.5 V、3.3 V和5 V電壓節點之間實現低電壓雙向轉換。其主要的型號為：TXS0101，TXS0102, TXS0104E。

3.1.1 TXS雙向自動方向檢測電壓轉換器工作原理

圖5 TXS010X雙向電壓轉換芯片

       TXS系列如前面介紹的原理一樣，用N通道MOSFET的導通和截至A端口和B端口之間的連接。當連接到A或B端口的驅動器為低電平時，對端便會被MOSFET N2拉低，如圖5所示。

3.1.2 TXS外部上下拉電阻設計注意事項

       TXS系列電平轉換芯片集成了內部上拉電阻，用于保持輸出高電平時的狀態。TXS0101、TXS0102和TXS0104E等電源轉換芯片的內部上拉電阻固定為10kΩ；TXS0108E具有動態上拉電阻，其值取決于輸出是驅動高電平還是低電平。當驅動高電平時，上拉電阻值為4KΩ，當驅動低電平時，上拉電阻值為40KΩ，如圖6 所示。

圖6 TXS0104E和TXS0108E輸出架構

       當處于直流穩態時，輸出由內部上拉電阻保持高電平。外部上拉或下拉電阻會影響輸出端的電壓。

3.1.2.1 TXS0108E上拉電阻測試

       下面測量了TXS0108E上拉電阻時候的輸出，其跨越了從4.7KΩ 到100KΩ 的四個不同上拉電阻值范圍, 用于直觀感受不同上拉電阻所帶來的影響。測試方法如圖7所示，輸入信號為1.8V，1KHz，上升和下降時間為5ns，輸出電壓為3.3V。

圖7 TXS0108E上拉電阻測試

表1 TXS0108E上拉電阻測試結果

       如表1所示，為TXS0108E各種上拉電阻測試結果，使用4.7 KΩ上拉時，VOL電壓為264mV； 沒有上拉的時候VOL為30 mV ，原因在于外部上拉和內部的40KΩ 上拉并聯導致，但輸出為低電平的時候，由于通過MOSFET的電流增加，導致其MOSFET的壓降變大。

3.1.2.2 TXS0108E下拉電阻測試

       下面測量了TXS0108E下拉電阻時候的輸出，其跨越了從4.7 KΩ 到100 KΩ 的四個不同下拉電阻值范圍, 用于直觀感受不同下拉電阻所帶來的影響。測試方法如圖8所示，輸入信號為1.8V，1KHz，上升下降時間為5ns，輸出電壓為3.3V。

圖8 TXS0108E下拉電阻測試

表2 TXS0108E下拉電阻測試結果

如表2所示，說明了TXS0108E下拉電阻對VOH電平的影響。沒有上拉電阻的基準VOH為3.18V，而使用4.7 KΩ下拉電阻的VOH為1.68 V。這是由于內部上拉電阻和外部下拉構成了一個分壓網絡，導致VOH降低。

3.1.3 TXS上下拉總結

       TXS系列電壓轉換芯片可以和外部上拉電阻一起使用，并且不會影響輸出電壓。需要注意對應的驅動電流。使用公式1，能夠計算對應的驅動電流，RA值為A端外部上拉電阻和芯片內等效上拉電阻的并聯值，RB值為B端外部上拉電阻和芯片內等效上拉電阻的并聯值。TXS0101, TXS0102, TXS0104E器件，建議將電流限制再10mA以下；TXS0108E的電流限制為1mA以下。

公式1：

I = VCCA / RA + VCCB / RB 

       由于內部等效為上拉，如果外部做下拉，會導致VOH電平降低，所以必須避免使用下拉電阻，如果需要下拉電阻，必須要求下拉電阻大于或等于50KΩ。

       下拉電阻時其輸出電壓計算方法如公式2所示，Vccx為A端或者B端的電壓，RPD為外部上拉電阻。對于TXS0101, TXS0102, TXS0104E器件，內部上拉電阻為10KΩ。TXS0108E內部上拉電阻為40KΩ。

公式2：

VOH = VCCx × RPD / (RPD + 10KΩ)

3.2 TXB雙向自動方向檢測電壓轉換器

       TXB為推挽MOS架構得電壓轉換器，和TXS一樣雙向自動方向檢測電壓轉換器。但是該推挽CMOS結構 TXB設備不適用于開漏應用。TXB能夠達到100Mbps最大數據傳輸速率，適用于高速信號。需要注意：A端口跟蹤VCCA，而B端口跟蹤VCCB。VCCA的電壓必須低于或等于VCCB的電壓。VCCA可以接受介于1.65 V和3.6 V之間的任意供電電壓，而VCCB可以接受2.3 V至5.5 V的任意供電電壓。這些電源軌可以在任何的1.8 V、2.5 V、3.3 V和5 V電壓節點之間實現低電壓雙向轉換。其主要的型號為：TXB0104，TXB0108。

3.2.1 TXB雙向自動方向檢測電壓轉換器工作原理

       TXB中的4KΩ緩沖器和觸發器（on-shot）是為了縮短上升沿和下降沿的時間。當A端輸入從低電平到高變化時，T1連接的觸發器觸發，T1導通，T2截至，B端口輸出高電平，如圖10所示；當A輸入從高電平到低電平變化時，與T2連接的one-shot觸發，T2導通，T1截至，B端口輸出低電平，如圖10所示。正是4KΩ的串聯電阻緩沖，如果外部添加上拉電阻或者下拉電阻，會形成帶有4KΩ電阻的分頻網絡，這種情況會影響VOH和VOL電平的值。

圖9 TXB系列電壓轉換芯片框圖

圖10 TXB系列電壓轉換芯片原理

3.2.2 TXB外部上下拉電阻設計注意事項

3.2.2.1 TXB0108上拉電阻測試

       下面測量了TXB0108上拉電阻時候的輸出，其跨越了從4.7KΩ 到100KΩ 的四個不同上拉電阻值范圍, 用于直觀感受不同上拉電阻所帶來的影響。測試方法如圖11所示，輸入信號為1.8V，1KHz， 上升和下降時間為5ns，輸出電壓為3.3V。

圖11 TXB系列電壓轉換芯片上拉電阻測試

表3 TXB0108上拉電阻測試結果

       如表3所示，上拉電阻會對VOL有影響，在又沒上拉的情況下，對應的TXB0108低電平為-0.007V, 而使用4.7KΩ上拉的時候為1.52V。

3.2.2.2 TXB0108下拉電阻測試

       下面測量了TXB0108下拉電阻時候的輸出，其跨越了從4.7KΩ 到100KΩ 的四個不同下拉電阻值范圍，用于直觀感受不同下拉電阻所帶來的影響。測試方法如圖12所示，輸入信號為1.8V，1KHz，上升和下降時間為5ns，輸出電壓為3.3V。

圖12 TXB系列電壓轉換芯片下拉電阻測試

表4 TXB0108下拉電阻測試結果

如表4所示，下拉電阻會對VOH有影響，當沒有下拉電阻時，對應的輸出電壓VOH為3.19V；而增加4.7KΩ下拉電阻時，輸出電壓VOH為1.71V。

3.2.3 TXB上下拉總結

       綜上3.2.2的測試結果，TXB不應使用小于50 kΩ的上拉和下拉電阻，因為內部4 kΩ緩沖器和外部電阻器會形成一個分壓網絡。對下拉的影響如公式3所示，RPU為外部上拉電阻，VCCO為輸出端口處的供電電壓。

公式3:

對上拉的影響如公式4所示，RPU為外部上拉電阻，VCCO為輸出端口處的供電電壓。

公式4:

4. 總結

       本文介紹了電壓轉換芯片的工作原理，并以TI的TXS和TXB系列電壓轉換芯片為例，總結了其設計要點，有助于工程師設計出集成度更高，棒性更好的系統方案。

參考文獻

A Guide to Voltage Translation With TXB-Type Translators

A Guide to Voltage Translation With TXS-Type Translators

Effects of pullup and pulldown resistors on TXS and TXB devices (Rev. A)

TXS0108E-Q1 8-Bit Bi-directional, Level-Shifting, Voltage Translator for Open-Drain and Push-Pull Applications datasheet (Rev. C) 

TXB0104-Q1 4-Bit Bidirectional Voltage-Level Translator with Automatic Direction Sensing and ±15-kV ESD Protection datasheet (Rev. B)