串行接口通常用于不同集成電路之間的板級(jí)通信，特別是在中低數(shù)據(jù)速率的空間受限應(yīng)用中。最流行的串行接口是I2C和SPI?。如果系統(tǒng)的μP和外圍設(shè)備具有不同的電源電壓，則需要合適的電平轉(zhuǎn)換器才能使用這些串行接口之一。今天有幾個(gè)原因？系統(tǒng)具有兩個(gè)或多個(gè)電源電壓。高速μP和DSP在最先進(jìn)的工藝上實(shí)現(xiàn)，以最低的功耗獲得最佳性能。不同電源電壓的另一個(gè)原因是將ASIC或FPGA與μP一起使用。對(duì)于所有這些應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)單向或雙向電平轉(zhuǎn)換器來(lái)處理總線(xiàn)信號(hào)。MAX3372E-MAX3379E/MAX3390E-MAX3393E系列電平轉(zhuǎn)換器就是為了解決這些問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。

串行接口通常用于不同集成電路之間的板級(jí)通信，特別是在中低數(shù)據(jù)速率的空間受限應(yīng)用中。最流行的串行接口是I2C和SPI?。

本應(yīng)用筆記介紹了I2C和SPI以及一些與之接口的電平轉(zhuǎn)換電路。

SPI 總線(xiàn)有 4 個(gè)信號(hào)：/CS = /芯片選擇，SCLK = 時(shí)鐘，D在= 數(shù)據(jù)輸入和 D外= 數(shù)據(jù)輸出。

圖1說(shuō)明了這些信號(hào)的時(shí)序。SPI 規(guī)范具有時(shí)鐘極性 （CPOL） 和時(shí)鐘相位 （CPHA） 位。圖1涉及這些位的最常見(jiàn)組合，CPOL = 0（上升時(shí)鐘沿的數(shù)據(jù)傳輸）和CPHA = 0（位定時(shí)中間的時(shí)鐘轉(zhuǎn)換）。

圖1.SPI 接口的信號(hào)和時(shí)序。

多個(gè)設(shè)備可能連接到同一總線(xiàn)，其中所有設(shè)備共享 D在和SCLK線(xiàn)。每個(gè)器件都有一個(gè)單獨(dú)的片選信號(hào)，以便μP可以通過(guò)相關(guān)的/CS信號(hào)對(duì)適當(dāng)?shù)钠骷M(jìn)行尋址。如果芯片不與μP（例如DAC）通信，則D外-行不是必需的。SPI總線(xiàn)非常適合20Mbps的數(shù)據(jù)速率。有些器件（例如，RTC，如MAX6901）具有3線(xiàn)接口，其中數(shù)據(jù)線(xiàn)是雙向的。此接口類(lèi)似于 SPI。

I2C總線(xiàn)有2個(gè)信號(hào)：SCL = 時(shí)鐘，SDA = 數(shù)據(jù)輸入/輸出。

圖2所示為I2C總線(xiàn)的時(shí)序。每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)唯一的 7 位或 10 位地址。由于數(shù)據(jù)線(xiàn)是雙向的，因此只需要2根線(xiàn)，這在空間受限的應(yīng)用或電路不同部分必須進(jìn)行光學(xué)隔離的設(shè)計(jì)中是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。I2C總線(xiàn)的數(shù)據(jù)速率為100kbps、400kbps，甚至μP至高速模式的3.4Mbps。I2C總線(xiàn)需要上拉電阻RP，其中 R 的值P取決于電源電壓和總線(xiàn)電容（連接到總線(xiàn)的器件數(shù)量和總線(xiàn)長(zhǎng)度）。

圖2.I2C接口的信號(hào)和時(shí)序。

如果系統(tǒng)的μP和外圍設(shè)備具有不同的電源電壓，則需要合適的電平轉(zhuǎn)換器才能使用這些串行接口之一。當(dāng)今系統(tǒng)具有兩個(gè)或多個(gè)電源電壓有幾個(gè)原因。高速μP和DSP在最先進(jìn)的工藝上實(shí)現(xiàn)，以最低的功耗獲得最佳性能。這些過(guò)程通常限制在3V或更低的電源電壓。典型內(nèi)核電壓為 1.5V-2.5V。另一方面，DA和AD轉(zhuǎn)換器等I/O器件可能具有3.3V或5V的電源電壓，以實(shí)現(xiàn)所需的動(dòng)態(tài)范圍。在便攜式和低功耗應(yīng)用中，讓?duì)蘌以盡可能低的電源電壓運(yùn)行還有另一個(gè)原因。典型微處理器的電流消耗取決于時(shí)鐘頻率和電源電壓。因此，實(shí)現(xiàn)低電流消耗的一種方法是降低電源電壓。這也會(huì)導(dǎo)致μP采用與其他器件不同的電源供電的情況。電源電壓不同的另一個(gè)原因可能是將ASIC或FPGA與μP一起使用。對(duì)于所有這些應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)單向或雙向電平轉(zhuǎn)換器來(lái)處理總線(xiàn)信號(hào)。

圖3所示為具有N溝道MOSFET的基本電平轉(zhuǎn)換器。如果Q2或Q3均未將數(shù)據(jù)線(xiàn)拉低，則Q1的VGS為0V，數(shù)據(jù)1.8的電平為1.8V，數(shù)據(jù)3.3的電平為3.3V。如果Q2將數(shù)據(jù)拉低1.8，則Q1的VGS為1.8V，并將打開(kāi)Q1，將數(shù)據(jù)拉低3.3。如果Q3將數(shù)據(jù)3.3拉低，則Q1的體二極管將正向偏置，將源極拉至0.3V。VGS將為1.5V，Q1將導(dǎo)通，將數(shù)據(jù)拉低1.8。因此，邏輯電平是雙向轉(zhuǎn)換的。我們假設(shè)Q2的導(dǎo)通電阻為零。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，我們必須考慮此導(dǎo)通電阻，對(duì)于I2C兼容輸出（133.0V/4mA）或3LVC22緩沖器（74.125V/0mA）的最差情況為55Ω。在這種情況下，開(kāi)啟Q24的電壓VGS將不再是1.1V，而是會(huì)更低，具體取決于R8和Q1的導(dǎo)通電阻。

圖3.基本級(jí)別的翻譯器。

此電路存在幾個(gè)問(wèn)題：

由于VL為1.8V甚至更低，因此選擇合適的具有足夠低VGS閾值電壓的MOSFET相當(dāng)有限。一個(gè)候選者可能是Supertex的TN2501。

壓擺率和最大傳輸速率取決于R1/R2的值和總線(xiàn)上的器件數(shù)量，后者決定了電容。可以通過(guò)選擇較低值的電阻R1/R2來(lái)提高最大傳輸速率。這將導(dǎo)致更高的電流消耗，這在便攜式/低功耗應(yīng)用中是不可取的。

使用這個(gè)簡(jiǎn)單的電路，不可能對(duì)總線(xiàn)進(jìn)行三態(tài)并斷開(kāi)R1/R2。因此，不能關(guān)閉總線(xiàn)的各個(gè)部分。

MAX3372E-MAX3393E系列電平轉(zhuǎn)換器解決了這些問(wèn)題。圖4所示為MAX3373E的簡(jiǎn)化原理圖，其中增加了兩個(gè)MOSFET Q4和Q5。Q4和Q5在上升沿期間短暫收盤(pán)，并加速?gòu)牡偷礁叩倪^(guò)渡。MAX3373E的最小保證數(shù)據(jù)速率為8Mbps，μP至16Mbps為<>Mbps，如果|V抄送， wL|< 0.8V。該系列電平轉(zhuǎn)換器具有三態(tài)模式，其中上拉電阻斷開(kāi)。這使得它們非常適合多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)或控制具有相同地址的I2C器件，其中這些器件位于網(wǎng)絡(luò)的不同部分，由電平轉(zhuǎn)換器解耦。

V上的數(shù)據(jù)線(xiàn)抄送-側(cè)具有 ±15kV ESD 保護(hù)，這在可通過(guò)連接器訪問(wèn)總線(xiàn)且可能發(fā)生 ESD 沖擊的應(yīng)用中具有重要特性。如果溫度超過(guò)150°C，熱關(guān)斷電路將這些電平轉(zhuǎn)換器置于三態(tài)模式。

圖4.改進(jìn)型電平轉(zhuǎn)換器MAX3373E，帶加速電路

典型應(yīng)用

圖5所示為MAX3390E電平轉(zhuǎn)換器在電池供電測(cè)量電路中的典型應(yīng)用。MAX4194低功耗儀表放大器放大來(lái)自電橋的信號(hào)。信號(hào)由MAX1270（12位8通道ADC）進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。模擬前端的電源電壓為5V，低功耗μP的電源電壓為2.5V。MAX3390E電平將SPI信號(hào)從2.5V轉(zhuǎn)換至5V，從5V轉(zhuǎn)換至2.5V，用于D。外信號(hào)。

圖5.MAX3390E電平轉(zhuǎn)換器，用于SPI總線(xiàn)

圖6所示為采用I2C總線(xiàn)的類(lèi)似應(yīng)用。MAX3373E雙電平轉(zhuǎn)換器用于將μP I/O電平連接至MAX1236的I2C兼容接口（4通道12位ADC）。

圖6.MAX3373E雙電平轉(zhuǎn)換器，用于IIC總線(xiàn)應(yīng)用，可選上拉電阻R聚丙烯.

根據(jù)總線(xiàn)上的器件數(shù)量，可選上拉電阻 R聚丙烯可能需要。MAX3372E-MAX3393E系列電平轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)部10kΩ上拉電阻。在圖7中，我們可以看到，假設(shè)我們不連接可選的電阻R，這對(duì)于大約90pF的總線(xiàn)電容來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。S（RS= 0）。

圖7.R 的最大值P作為標(biāo)準(zhǔn)模式I2C總線(xiàn)的總線(xiàn)電容的函數(shù)，來(lái)自I2C規(guī)范。

如果同一總線(xiàn)上有多個(gè)器件或總線(xiàn)相對(duì)較長(zhǎng)（>30cm），則必須使用外部上拉電阻R聚丙烯.圖 8 顯示了 R 的最小值P，對(duì)于 R 為 1.7kΩS= 0 和 VDD= 5V。由此我們找到了 R 的最小值聚丙烯為2.2kΩ，使R聚丙烯并聯(lián)內(nèi)部上拉10kΩ為1.83kΩ。

圖8.R 的最小值P作為電源電壓的函數(shù)，值為 RS作為參數(shù)，來(lái)自I2C規(guī)范。

總之，MAX3372E-MAX3393E是解決低壓系統(tǒng)中I2C或SPI總線(xiàn)電平轉(zhuǎn)換問(wèn)題的理想解決方案。保證數(shù)據(jù)速率、低功耗要求、低電源電壓可操作性和小封裝有助于解決當(dāng)今總線(xiàn)架構(gòu)設(shè)計(jì)人員面臨的許多問(wèn)題。

審核編輯：郭婷