典型电平转换电路方案分析

典型电平转换电路方案分析
英联半导体电平转换芯片产品线
低成本
UM2001 1Ch UM2002 2Ch UM3212 2Ch
通用型
(应用于Push-Pull/Open-Drain端口)
UM3202 2Ch
UM3204 4Ch
高速
(应用于Push-Pull端口 )
UM3301 1Ch
UM3302 2Ch
UM3304 4Ch
UM3308 8Ch
2种外部端口形式
(a) push-pull推挽输出(b) open-drain开漏输出
电平转换方案1：分立MOSFET
工作原理分析：
（1）两端均不被总线拉低时，VGS=0，管子截止分别被上拉至不同电平，实现高电平的双向传输； （2）An 端首先被总线拉低，VGS=VCCA ，管子导通，Bn 被拉低，实现An 到Bn 低电平传输； （3） Bn 端首先被总线拉低，通过寄生二极管，An 被瞬间拉低，VGS 变高，管子导通，An 最终被Bn 拉
低至相同的低电平，实现Bn 到An 低电平传输。

低电压端
高电压端
优点：
• 比较灵活，通道数量随意；
• 价格较低；
缺点：
• 速率低：一般推荐在几百KHz 频率以下使用；
• 可靠性一般：噪声容限差，延时较大，通道间一致性不好；
• 大部分MOSFET 无ESD 防护性能； • PCB 占用面积较大；
高电压端信号隔离原理分析：
•若VCCB 断电，Q3Q4截止，Bn 信号被隔离开出来，An 端通讯不受影响；
电平转换方案2：分立MOSFET （隔离）
低电压端
高电压端
优点：
• 比较灵活，通道数量随意；
• 支持高电压端断电隔离；
缺点：
• 速率低：一般推荐在几百KHz 频率以下使用； • 可靠性一般：噪声容限较差，延时较大，通道间一致性不好；
•大部分MOSFET 无ESD 防护性能； • 元件数量多，BOM 成本、贴片成本较高； • PCB 占用面积较大，布线复杂；
电平转换方案3： UM2002
低电压端 高电压端
优点：
• 两侧可高阻隔离：EN 置低； • 高速率：最高可达5MHz 以上；
• 高可靠性：噪声容限好，延时极小，通道间一致性好； • 内置ESD 防护电路：4KV HBM ； • 封装形式多种：TSSOP8、SOP8； • 元件数量少，PCB 走线简单，节省面积；
方案3 BOM
Comment Qty 价格(RMB)
U1 UM2002 1 0.29 C1 0.1uF 1 0.03 R1 200K 1 0.02 R2,R3
0603
2
0.02*2
0.04(贴片费)
合计
5
0.42
Comment Qty 价格(RMB)
Q1,Q2
Si2302
2
0.1*2
R1,R2,R3,R4
0603 4 0.02*4 0.04(贴片费)
合计
6
0.32
方案1 BOM
Comment Qty 价格(RMB)
Q1,Q2,Q3,Q4
Si2302
4
0.1*4
R1,R2,R3,R4 0603 4 0.02*4 0.05(贴片费)
合计 8 0.53
方案2 BOM
方案1、2、3成本比较
信号质量比较（分离MOSFET-方案1）: 1.8V to 3.3V
f=100KHz
5uS/Div
An (1V/Div)->
Bn (1V/Div)->
f=100KHz ，Rup=10K
f=400KHz
1uS/Div
f=400KHz ，Rup=4.7K
f=1MHz
500nS/Div
An (1V/Div)->
Bn (1V/Div)->
f=1MHz ，Rup=3.3K
f=3.4MHz ，Rup=1K
！
！
信号质量比较（UM2002-方案3）: 1.8V to 3.3V
f=100KHz ，Rup=10K
An (1V/Div)->
Bn (1V/Div)->
f=400KHz ，Rup=4.7K
f=1MHz ，Rup=3.3K
An (1V/Div)->
Bn (1V/Div)->
f=3.4MHz ，Rup=1K
UM2002 典型应用框图
UM200x,UM3212 简介
• 通用双向电平转换芯片；
• 自动方向识别，无需额外方向控制引脚；
•通道一致性好，nS 级传输延时； • 适用于Push-Pull 、Open-Drain 应用；
• 适用于各类单双向电平转换及I2C-bus 、
SMBus 、SPI 等总线电平转换；
UM200x内部电路
工作原理分析：
（1）内部包含1个参考管与多个通道管，所有管子的栅极连接在一起；
（2）GPIO=0V，参考管与通道管都截止，An与Bn间为高阻，等同于隔离；
（3）GPIO=3.3V，VG=VCCA+VGS（其中VGS=0.6V~1V），通道管工作于饱和状态，即VAn=VS=VG-VGS=（VCCA+VGS）-VGS ≈ VCCA。

同时，Bn经上拉电阻拉高至VCCB，实现高电平的双向传输；当An、Bn任何一端为低电平时，管子导通，实现低电平的双向传输。

注意：当（VCCB-VCCA）<1V时，An端需接上拉电阻，以保证高电平可拉升至VCCA。

UM200x,UM3212应用技巧
(1) 问：UM3212系列与UM200x系列有何区别？
答：内部电路结构相同。

UM3212系列为2通道产品，提供超小型封装DFN8 2.1×1.6和MSOP8，与TI、NXP通用型号PCA9306 PIN2PIN兼容；UM200x系列目前提供1通道和2通道产品，UM2001提供SOT363封装，UM2002提供TSSOP8和SOP8封装。

(2) 问：UM200x,UM3212用于I2C总线应用，上拉电阻阻值如何选择？
答：总的原则是速率越高上拉电阻阻值越小，100KHz频率推荐10KΩ，400KHz频率推荐4.7KΩ，1MHz频率推荐1KΩ。

（3）问： UM200x,UM3212信号线上的上拉电阻可省略吗？
答：高电压端上拉电阻必须接。

低电压端在（VCCB-VCCA）≥1V时，上拉电阻可接可不接；在（VCCB-VCCA） <1V时，上拉电阻必须要接。

(4) 问： UM200x,UM3212 应用中，低压端电压参考源VREF1是否可以由高压端电源通过电阻分压获得？
答：可以。

如下图电路就可实现2.5V信号与5V信号之间的双向传输。

(5) 问： UM200x,UM3212 典型应用中(如下图)，VCCA电源断电，VCCB电源带电，为什么实测VREFA有电压约VCCB-0.9V，An也有高电平信号，是否芯片有有漏电？
答：不是漏电，因为EN为使能状态，VREF1电平被拉升至（VCCB-VGS），这里
VGS=0.8V~1V，但该VREF1电平无带载能力，同时由于通道管、参考管的栅极是连在一起的，An信号也被拉高至VCCB-VGS。

若希望在VCCA断电时，高压端信号被隔离，建议接法如下（注意，R2、R3不能省略）：
UM3204典型应用框图UM320x 简介
•通用双向电平转换芯片(适用push-pull，open-drain)；•自动方向识别，无需额外方向控制引脚；
• EN控制引脚置低，端口高阻态；
•芯片内置上拉电阻，I2C应用时无需外接上拉电阻；•最高数据数据速率
24Mbps(push-pull),2Mbps(open-drain);
•
An端电压1.65V~3.6V
，Bn
端电压2.3V~5.5V；
•1uA超低待机静态电流；
•Bn端口±15KV ESD防护；
•超小型封装CSP8,DFN8,CSP12,QFN14等；
UM3204
UM320x内部I/O电路框图
One-Short模块，
用于减小信号上升
沿时间
内置10K Ω 上拉电
阻，OE置低时，该
上拉电阻自动断开
低阻导通MOSFET
UM320x电平转换应用技巧
（1）问：项目中使用UM3204H进行电平转换，做高低温测试中发现个别样品在-20 ℃条件下电平转换已经工作异常，导致系统通讯失败，但规格书标注UM320x系列工作温度范围-40~85 ℃，是否实际产品与规格书不符？
答：失效原因：外部信号通路串联了1K电阻；内部10K电阻非理想电阻，存在温度系数，且在晶圆制造过程中有一定分散性。

解决方法：1K串联电阻改为0欧姆， -40~85 ℃高低温测试通过。

UM320x电平转换应用技巧（续一）
（2）问：UM320x规格书标注An、Bn端口要求输入低电平VIL最高不应高于0.15V，该要求是否过于严格？
UM320x电平转换应用技巧（续二）
答：UM320x的An、Bn端口参数VIL(Max)=0.15V，该数值之所以规定得较低，是因为当输入信号低电平幅度VIL<VCCI/2时，输出信号低电平幅度跟随输入信号低电平幅度，为保证VOL(Max)=0.4V指标，故规定VIL(Max)=0.15V，并保留一定余量。

详见测试条件1（Page21）。

VIH无此跟随特性。

详见测试条件2（Page22）。

测试条件1：VCCB=3.6V，VCCA=OE=2.3V，信号传输方向A to B，VIH=2.3V，VIL=1.5V~0.15V VIL=1.5V
An Bn An Bn
An Bn
An
Bn
VIL=1.2V VIL=0.4V VIL=0.15V Fail！
VIH=1.2V
An Bn An Bn
An Bn
An
Bn
VIH=1.4V VIH=1.8V VIH=2.3V
VOH=3.4V VOH=1.2V
VOH=3.6V VOH=3.6V
测试条件2：VCCB=3.6V，VCCA=OE=2.3V，信号传输方向A to B，VIL=0V，VIH=1.2V~2.3V
（３）问：UM320x正常工作时功耗有多大？
答：从UM320x内部I/O电路框图可知，正常工作时，VCCA/VCCB消耗的电流取决于VCCA/VCCB电压幅值和内部10K电阻，约几十~几百uA，休闲状态时建议把芯片ＯＥ引脚置低，可把功耗降至１ｕＡ以下。

UM320x电平转换应用技巧（续六）
（4）问：UM320x内置10K上拉电阻是否满足I2C应用中对信号边沿时间要求，在速率较高时（1MHz），是否需外接上拉电阻？
答：无需任何外接上拉电阻。

内部one-shot模块电路有加速信号上升速率之作用。

另外，强烈不建议额外加外部上拉电阻。

UM3304典型应用框图UM330x 简介
•双向电平转换芯片(适用push-pull)；
•自动方向识别，无需额外方向控制引脚；• EN控制引脚置低，端口高阻态；
•最高数据转换速率100Mbps;
•An端电压1.2V~3.6V，Bn端电压2.3V~5.5V；•1uA超低待机静态电流；
•Bn端口±15KV ESD防护；
•超小型封装CSP12,QFN14, CSP20等；
UM3304
UM330x内部I/O电路框图
One-Short模块，
用于减小信号上升
沿和下降沿时间
2级非门，
同相输出
4K电阻
UM330x电平转换应用技巧
（1）问：UM330x系列应用中，信号线若接上下拉电阻，为什么必须要大于50KΩ？
答：原因见下图，主要受内部4K电阻影响。

输出高电平被拉低
输出低电平被拉高
UM330x电平转换应用技巧（续四）
（2）问：UM330x应用如下图，MCU通过该种方式来检测+12V电源的上电和断电状态，是否可行？
UM330x电平转换应用技巧（续五）
答：不可靠。

由于内部4K电阻影响，Bn端口实际电平可能不满足VIH、VIL电平门限要求，从而导致MCU检测失败。