作者：Xiaoxiang Liu

1. 芯片介绍

       如今整个电路系统，性能越来越强大，功耗要求越来越低，其设计也越来越复杂，更低的工作电压的元器件应运而生。但是这种复杂系统内各个元器件之间的工作电压并不相同。例如，当一个元器件的输出电压为1.8V，而另一个元器件的输入电压要求为3.3V时，这个时候就会出现电路系统内部元器件之间电压不匹配的情况。

       为了让整个电路系统中的各种器件能够耦合使用，让整个系统设计能够落地，就需要使用对应的芯片，如图1所示。提供了多种器，包括双电源电平转换器、自动方向感应转换器以及用于推挽缓冲和开漏应用的自动方向感应转换器等。      

       本文以的TXS和TXB系列电压转换芯片，介绍了电压转换芯片的工作原理和设计注意事项，有助于工程师设计出集成度更高，棒性更好的系统方案。

图1， 电压匹配示意图

2 电压转换芯片原理

2.1 单向电压转换芯片原理

       电压转换芯片分为单向电压转换芯片和双向电压转换芯片。最简单的方案为单个MOSFET组成的单向电压转换芯片，其工作原理如下图1所示。

       当栅极G输入为低电平L时的时候，VGS < 阈值，MOSFET截至，此时漏极D为高电平H（VCC），如图2-A；而当栅极G输入为高电平H的时候， VGS > 阈值，MOSFET导通，此时漏极D输出为低电平L(0V)， 如图2-B，这种情况输入和输出会反向。

图2 单向电压转换芯片工作原理

2.2 双向电压转换芯片原理

       在一些应用中，存在发送端和接收端会互换的情况，如IIC、MDIO、SPI等需要双向通信的情况下，就需要使用双向电压转换芯片。其工作原理如下：

       如果输出为左边。当左侧输入高电平H(输入电压为VCCA)时，由于VGS<阈值，所以MOSFET截至，右侧输出电压为VCCB），如图3-A所示；当左侧D0输入低电平L（0V）时，由于VGS = VCCA > 阈值，所以MOSFET导通，右侧输出电压为低电平0V，如图3-B所示。

图3 双向电压转换芯片工作原理1

       当右侧输入高电平H时，由于左侧初始为高电平VCCA，VGS = 0<阈值，MOSFET截至，如图4-A所示；右侧输入L的时候，原本VS=VG = VCCA，VGS = 0，MOSFET截至，但是由于场效应管有一个寄生二极管，它会将左侧输出下拉至一个二极管的导通电压，此电压在0.3V到0.7V之间，所以这里我们可以认为左侧输出为低电平。此时VGS（3.3V-0.7V=2.6V）大于场效应管的栅极阈值电压而使MOSFET导通，导通后右侧输入和左侧输出为同一电压0V，如图4-B所示。

图4 双向电压转换芯片工作原理2

3 电压转换芯片解决方案

3.1 TXS双向自动方向检测电压转换器

       TXS双向自动方向检测电压转换器，可以与漏极开路以及推挽式驱动配合，最大速率可到24Mbps(推挽，开漏2Mbps最高速率)。需要注意A端口跟踪VCCA，而B端口跟踪VCCB。VCCA的电压必须低于或等于VCCB的电压。VCCA可以接受介于1.65 V和3.6 V之间的任意供电电压，而VCCB可以接受2.3 V至5.5 V的任意供电电压。这些电源轨可以在任何的1.8 V、2.5 V、3.3 V和5 V电压节点之间实现低电压双向转换。其主要的型号为：TXS0101，TXS0102, TXS0104E。

3.1.1 TXS双向自动方向检测电压转换器工作原理

图5 TXS010X双向电压转换芯片

       TXS系列如前面介绍的原理一样，用N通道MOSFET的导通和截至A端口和B端口之间的连接。当连接到A或B端口的驱动器为低电平时，对端便会被MOSFET N2拉低，如图5所示。

3.1.2 TXS外部上下拉电阻设计注意事项

       TXS系列电平转换芯片集成了内部上拉电阻，用于保持输出高电平时的状态。TXS0101、TXS0102和TXS0104E等电源转换芯片的内部上拉电阻固定为10kΩ；TXS0108E具有动态上拉电阻，其值取决于输出是驱动高电平还是低电平。当驱动高电平时，上拉电阻值为4KΩ，当驱动低电平时，上拉电阻值为40KΩ，如图6 所示。

图6 TXS0104E和TXS0108E输出架构

       当处于直流稳态时，输出由内部上拉电阻保持高电平。外部上拉或下拉电阻会影响输出端的电压。

3.1.2.1 TXS0108E上拉电阻测试

       下面测量了TXS0108E上拉电阻时候的输出，其跨越了从4.7KΩ 到100KΩ 的四个不同上拉电阻值范围, 用于直观感受不同上拉电阻所带来的影响。测试方法如图7所示，输入信号为1.8V，1KHz，上升和下降时间为5ns，输出电压为3.3V。

图7 TXS0108E上拉电阻测试

表1 TXS0108E上拉电阻测试结果

       如表1所示，为TXS0108E各种上拉电阻测试结果，使用4.7 KΩ上拉时，VOL电压为264mV； 没有上拉的时候VOL为30 mV ，原因在于外部上拉和内部的40KΩ 上拉并联导致，但输出为低电平的时候，由于通过MOSFET的电流增加，导致其MOSFET的压降变大。

3.1.2.2 TXS0108E下拉电阻测试

       下面测量了TXS0108E下拉电阻时候的输出，其跨越了从4.7 KΩ 到100 KΩ 的四个不同下拉电阻值范围, 用于直观感受不同下拉电阻所带来的影响。测试方法如图8所示，输入信号为1.8V，1KHz，上升下降时间为5ns，输出电压为3.3V。

图8 TXS0108E下拉电阻测试

表2 TXS0108E下拉电阻测试结果

如表2所示，说明了TXS0108E下拉电阻对VOH电平的影响。没有上拉电阻的基准VOH为3.18V，而使用4.7 KΩ下拉电阻的VOH为1.68 V。这是由于内部上拉电阻和外部下拉构成了一个分压网络，导致VOH降低。

3.1.3 TXS上下拉总结

       TXS系列电压转换芯片可以和外部上拉电阻一起使用，并且不会影响输出电压。需要注意对应的驱动电流。使用公式1，能够计算对应的驱动电流，RA值为A端外部上拉电阻和芯片内等效上拉电阻的并联值，RB值为B端外部上拉电阻和芯片内等效上拉电阻的并联值。TXS0101, TXS0102, TXS0104E器件，建议将电流限制再10mA以下；TXS0108E的电流限制为1mA以下。

公式1：

I = VCCA / RA + VCCB / RB 

       由于内部等效为上拉，如果外部做下拉，会导致VOH电平降低，所以必须避免使用下拉电阻，如果需要下拉电阻，必须要求下拉电阻大于或等于50KΩ。

       下拉电阻时其输出电压计算方法如公式2所示，Vccx为A端或者B端的电压，RPD为外部上拉电阻。对于TXS0101, TXS0102, TXS0104E器件，内部上拉电阻为10KΩ。TXS0108E内部上拉电阻为40KΩ。

公式2：

VOH = VCCx × RPD / (RPD + 10KΩ)

3.2 TXB双向自动方向检测电压转换器

       TXB为推挽MOS架构得电压转换器，和TXS一样双向自动方向检测电压转换器。但是该推挽CMOS结构 TXB设备不适用于开漏应用。TXB能够达到100Mbps最大数据传输速率，适用于高速信号。需要注意：A端口跟踪VCCA，而B端口跟踪VCCB。VCCA的电压必须低于或等于VCCB的电压。VCCA可以接受介于1.65 V和3.6 V之间的任意供电电压，而VCCB可以接受2.3 V至5.5 V的任意供电电压。这些电源轨可以在任何的1.8 V、2.5 V、3.3 V和5 V电压节点之间实现低电压双向转换。其主要的型号为：TXB0104，TXB0108。

3.2.1 TXB双向自动方向检测电压转换器工作原理

       TXB中的4KΩ缓冲器和触发器（on-shot）是为了缩短上升沿和下降沿的时间。当A端输入从低电平到高变化时，T1连接的触发器触发，T1导通，T2截至，B端口输出高电平，如图10所示；当A输入从高电平到低电平变化时，与T2连接的one-shot触发，T2导通，T1截至，B端口输出低电平，如图10所示。正是4KΩ的串联电阻缓冲，如果外部添加上拉电阻或者下拉电阻，会形成带有4KΩ电阻的分频网络，这种情况会影响VOH和VOL电平的值。

图9 TXB系列电压转换芯片框图

图10 TXB系列电压转换芯片原理

3.2.2 TXB外部上下拉电阻设计注意事项

3.2.2.1 TXB0108上拉电阻测试

       下面测量了TXB0108上拉电阻时候的输出，其跨越了从4.7KΩ 到100KΩ 的四个不同上拉电阻值范围, 用于直观感受不同上拉电阻所带来的影响。测试方法如图11所示，输入信号为1.8V，1KHz， 上升和下降时间为5ns，输出电压为3.3V。

图11 TXB系列电压转换芯片上拉电阻测试

表3 TXB0108上拉电阻测试结果

       如表3所示，上拉电阻会对VOL有影响，在又没上拉的情况下，对应的TXB0108低电平为-0.007V, 而使用4.7KΩ上拉的时候为1.52V。

3.2.2.2 TXB0108下拉电阻测试

       下面测量了TXB0108下拉电阻时候的输出，其跨越了从4.7KΩ 到100KΩ 的四个不同下拉电阻值范围，用于直观感受不同下拉电阻所带来的影响。测试方法如图12所示，输入信号为1.8V，1KHz，上升和下降时间为5ns，输出电压为3.3V。

图12 TXB系列电压转换芯片下拉电阻测试

表4 TXB0108下拉电阻测试结果

如表4所示，下拉电阻会对VOH有影响，当没有下拉电阻时，对应的输出电压VOH为3.19V；而增加4.7KΩ下拉电阻时，输出电压VOH为1.71V。

3.2.3 TXB上下拉总结

       综上3.2.2的测试结果，TXB不应使用小于50 kΩ的上拉和下拉电阻，因为内部4 kΩ缓冲器和外部电阻器会形成一个分压网络。对下拉的影响如公式3所示，RPU为外部上拉电阻，VCCO为输出端口处的供电电压。

公式3:

对上拉的影响如公式4所示，RPU为外部上拉电阻，VCCO为输出端口处的供电电压。

公式4:

4. 总结

       本文介绍了电压转换芯片的工作原理，并以TI的TXS和TXB系列电压转换芯片为例，总结了其设计要点，有助于工程师设计出集成度更高，棒性更好的系统方案。

参考文献

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)