3V单片机与5V电路的接口设计

3V单片机与5V电路的接口设计
高旭彬
【摘要】对3V单片机与5V电路接口设计中遇到的逻辑电平转换问题进行探讨,并给出了一些既简单又实用的接口电路形式和相应的设计计算公式.
【期刊名称】《机电产品开发与创新》
【年(卷),期】2013(026)004
【总页数】3页(P138-139,142)
【关键词】单片机;接口电路;电平转换
【作者】高旭彬
【作者单位】中国煤炭科工集团太原研究院,山西太原030006
【正文语种】中文
【中图分类】TB47
0 引言
在现代煤矿自动化及电控产品中，越来越多的使用单片机等智能控制器件，以MSP430 单片机为例。

该单片机具有功耗低、工作温度范围宽、集成外设丰富的优点，在电池供电设备、便携式设备、数据采集等设备上得到了广泛应用。

但是该单片机工作电压为3V，与现有的很多5V外围电路或器件，例如RS485 驱动器、LCD 驱动器等，在逻辑电平上存在一定差异，必须进行逻辑电平转换。

尽管用于逻辑电平转换的接口电路很容易实现，但在设计中也应当考虑一些限制条
件，否则会导致逻辑错误。

本文对这种接口电路的设计原则进行探讨，并给出一些简单的计算公式供参考。

1 5V 输出-3V 输入接口
接口有同相接口和反相接口，最简单的同相接口是电阻分压式接口，最简单的反相接口是三极管式接口。

1.1 电阻分压式接口
图1 电阻分压式接口Fig.1 The voltage division with resistance type interface 电阻分压式接口电路如图1所示，这种电路很简单，只需要两只电阻R1 和R2，
但在确定其阻值时需要考虑下面的限制条件。

（1）限制条件及要求：一是考虑到单片机端口漏电流Ilkg[2]的影响，要求二是
当5V 电路输出为高电平时，在单片机端口上产生的高电平输入电压应当高于其高电平输入门限最大值 VIT+（max）。

对于这一要求，最不利的条件是所产生的高电平输入电压是其最低值。

导致这一最不利条件的情况是：5V 电路输出的高电平是其最低值V（5V）Hmin；电阻R1的实际阻值是它误差范围内的最大值
R1max，而电阻R2 是它误差范围内的最小值R2min。

假如用R1 和R2 分别代表两个电阻的标称值，并用p 表示它们的最大相对误差，则 R1max=R1（1+p）
R2min=R2（1+p）。

因此，为满足这一要求，应当保证VIT+（max）；三是当
5V 电路输出为低电平时，在单片机端口上产生的低电平输入电压应当低于其低电平输入门限最小值VIT-（min）。

对于这一要求，最不利的条件是，所产生的低
电平输入电压是其最高值。

导致这一最不利条件的情况是：5V 电路输出的低电平是其最高值V（5V）Lmax；电阻R1的实际阻值是它误差范围内的最小值R1min，而电阻R2是它误差范围内的最大值R2max。

因此，为满足这一要求，应当保证
四是在任何情况下，在单片机端口上产生的输入电压都应当低于其输入电压最高允许值，即低于单片机实际电源电压+0.3V。

对于这一要求，最不利的条件是，所产
生的输入电压是其最高值。

导致这一最不利条件的情况是：5V 电路输出高电平并且是其最高输出值V（5V）Hmax；电阻R1的实际阻值是它误差范围内的最小值R1min，而电阻R2 是它误差范围内的最大值R2max。

供给单片机的实际电源电
压是电源误差范围内的最小值 VCC（3V）min。

因此，为满足这一要求，应当保证五是在任何情况下，在单片机端口上产生的输入电压都应当高于其输入电压最
低允许值，即-0.3V。

对于单电源5V 电路来说，由于输出电压不会出现负值，所以，这一条件都能够满足。

（2）设计公式。

为了便于设计计算，可以把上述要求归纳为如下公式。

式中：R1 和R2 均代表电阻的标称值。

1.2 三极管式接口
图2 三极管式接口Fig.2 The transistor type interface
三极管式接口电路如图2所示，在设计这种接口时需要考虑以下几个限制条件。

（1）限制条件及要求。

考虑到单片机端口漏电流Ilkg 和三极管截止漏电流ICEO
的影响，要求当三极管截止时，因漏电流而形成的单片机端口输入电压应当高于其高电平输入门限最大值 VIT+（max）。

对于这一要求，最不利的条件是，在
单片机端口上所形成的高电平输入电压是其最低值。

导致这一最不利条件的情况是：供给单片机的实际电源电压是电源误差范围内的最小值VCC（3V）min；电阻Rc 的实际阻值是它误差范围内的最大值Rcmax。

因此，为满足这一要求，应当保证Rcmax·（Ilkg+ICEO）＜VCC（3V）min-VIT+（max）。

当5V 电路输出低电平时，三极管应当可靠截止，即三极管的输入电压应小于其截止电压Vbe（off）。

对于这一要求，最不利的条件是，在三极管基极上产生的低
电平输入电压为其最高值。

导致这一最不利条件的情况是：
5V 电路输出的低电平是其最高值 V（5V）Lmax；电阻 Ra的实际阻值是它误差
范围内的最小值Ramin，而电阻Rb 是它误差范围内的最大值Rbmax。

因此，为满足这一要求，应当保证
当5V 电路输出高电平时，三极管应当可靠导通，即三极管的集电极电流应当使单片机端口的输入电压低于其低电平输入门限最小值 VIT-（min）。

对于这一要求，最不利的条件是，在单片机端口上产生的低电平输入电压为其最高值。

导致这一最不利条件的情况是：5V 电路输出的高电平是其最低值V（5V）Hmin；电阻Ra的实际阻值是它误差范围内的最大值Ramax，而电阻Rb 是它误差范围内的最小值Rbmin。

三极管的放大倍数是其最小值βmin；电阻Rc的实际阻值是它误差范围内的最小值Rcmin；供给单片机的实际电源电压是电源误差范围内的最大值 VCC（3V）max。

因此，为满足这一要求，应当保
证Rcmin·Ib·（1+βmin）＞VCC（3V）max-VIT-（min），其中
设计公式。

可以把上述要求归纳为如下公式：对于条件1：
对于条件2：
对于条件3：
式中：Ra、Rb 和Rc 均代表电阻的标称值。

2 3V 输出-5V 输入接口
最简单的同相接口是直通方式，最简单的反相接口是三极管式接口。

2.1 直通方式
直通方式就是让3V 电路的输出与5V 电路的输入直接连接，在很多情况下这是完全可行的，比如MSP430F1232与sn65hvd3082e：MSP430F1232 输出的高电平最低值为Vcc-0.6V（当Vcc 是其最低值2.7V时，等于2.1V），低电平最高值
为0.6V；而sn65hvd3082e 输入的高电平最低允许值是2V[3]，低电平最高允许值0.8V。

显然2.1V＞2V，0.6V＜0.8V，所以直接连接完全能够满足要求。

2.2 三极管式接口
对于3V 输出/5V 输入来说，只有需要反相连接时才会采用三极管式接口，其要求等需要考虑的内容与5V 输出/3V 输入的情况类似，所以这里就不再赘述。

另外说明一点，需要反相连接时，除采用三极管式接口之外，还可以采用插入3V 或5V 反相器的办法来实现，这样，3V输出与5V 反相器，或3V 反相器与5V 输入之间就可以采用直通方式。

3 示例
下面给出一个5V 输出/3V 输入的电阻分压式接口示例，5V 电路是RS485 芯片
sn65hvd3082e，3V 单片机是MSP430F1232。

假设 5V 电路的供电电压为5V ±10%，那么， V（5V）Hmax—5V 电路可能输
出的高电平最高值，为5.5V；从sn65hvd3082e的Datasheet 中还可以查到以
下相关参数：V（5V）Hmin—5V 电路（sn65hvd3082e）输出的高电平最低值，为 4.0V；V（5V）Lmax—5V 电路（sn65hvd3082e）输出的低电平最高值，为0.4V。

假设单片机电源电压为3V ±10%，那么 VCC （3V）—单片机额定电源电压，为 3.0V。

VCC（3V）min—单片机电源电压最小值，为2.7V。

从MSP430F1232的Datasheet 中可以查到以下相关参数（电源电压为3V 时）：VIT+（max）—单片机端口的高电平输入最高门限值为1.9V；VIT-（min）—单片机端口的低电平输入最低门限值为0.9V；Ilkg—单片机端口的漏电流±50nA。

假定电阻的标称误差p=5%。

由式（1）得=60MΩ；由式（2）得由式（3）得由式（4）得可见，R1/R2 取值范围在0.9～1.0 之间，并要求R1//R2＜＜60MΩ 因此，这里初步确定 R1/R2=0.93～0.95 且 R1、 R2＜200kΩ，然后再确定出
两个电阻的标称值：R1=150kΩ、R2=160kΩ。

经验算，
R1/R2=0.9375,R1//R2=77.4kΩ，满足要求。

4 结束语
通过对接口电路极限参数的分析、计算，并考虑了元件的误差影响，给出了电路参数的计算、验证公式。

便于快速、准确地验证电路设计和确定电路参数。

【相关文献】
[1]童诗白,等.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.
[2]Texas Instruments Incorporated.MSP430x12x Mixed Signal Microcontroller，2003.
[3]Texas Instruments Incorporated.LOW-Power RS-485 Transceiver，2004.。