申矽凌开关型电平转换器：自动识别电平转换方向，减轻工程师设计负担

背景介绍

随着半导体制程的演进，新一代电子系统的主芯片的端口电压愈来愈低，但与之配套的外围器件（传感器、执行器、存储器等）出于成本、性能的考量，大多仍工作于较高的电压域。为了保证这些高电压外围设备与低压主控能够正常通信，需要在不同电压域系统之间接入电平转换器。

申矽凌可提供开关型电平转换器，满足各类通信端口（推挽或开漏）电平转换的需求。

产品概述

申矽凌开关型电平转换器，具有较宽的工作电压范围。芯片自动识别电平转换方向，减轻工程师的设计负担。申矽凌的电平转换芯片采用行业标准引脚排布和标准封装，可实现通用型号的无感替代。

申矽凌开关型电平转换器主要分为两类，分别为开关型电平转换器和内置沿加速器的开关型电平转换器：

开关型电平转换器

此类电平转换器适用于开漏应用和推挽应用。如图2所示，开关型电平转换芯片内部存在一个N型传输门，两个端口通过传输门连接在一起，端口外部则通过上拉电阻连接到不同的电平上。

开关型电平转换器的工作原理是：当一端传来低电平时，传输门打开，两个端口导通，另一端被同步拉到低电平，以此完成低电平的传输；当一端为高电平时，传输门关闭，另一端被同侧的上拉电阻拉抬到相应电平上，从而实现高电平的转换。

开关型电平转换器主要特性：

双向电平转换，无需方向引脚

低待机电流

可支持5V I/O端口，支持TTL电平

Ron小，信号失真小

芯片关断后，I/O呈现高阻

支持高达100MHz的传输速率

支持1V转1.8V或3.3V以及1.8V转3.3V

支持多种常用封装

额定工作温度范围为-40℃到85℃

开关型电平转换器主要应用场景：

GPIO，MDIO，PMBus，SMBus，SDIO，UART，I2C，I3C

个人电脑

汽车

SD/MMC卡

图1 四通道开关型电平转换器CAG94204F内部架构图

图2 CAG94204F典型电路图

内置沿加速器的开关型电平转换器

由于开关型电平转换芯片的高电平的形成只能依靠上拉电阻（通常为数千欧姆级别）对端口充电实现电平的抬升，上升沿爬升快慢和上拉电阻的大小成反比，传输速度因此受限。为进一步加快电平转换的速度，需要提升上升沿的陡峭程度。因此芯片设计师在开关型电平转换结构的基础上，又增加了沿加速电路（包括两个Oneshot电路及对应控制的两个MOS管T1和T2）。

图3 四通道带沿加速器的开关型电平转换器CAG94104S内部架构图

如图3所示，沿加速电路的工作原理为：当一端（例如端口A）传来高电平时，内部的沿加速电路（Oneshot）将快速打开另一端的MOS管（T2），由于MOS管内阻仅有几十欧姆，远小于常用的外部上拉电阻（通常为千欧姆级别），另一端端口（端口B）通过mos管得到电源（Vccb）的快速充电，被快速拉抬到相应的电平上（Vccb），此时Oneshot电路完成其使命后，随即关闭其控制的MOS管（T2），而另一端端口（端口B）的电平则被稳定保持在高电平（Vccb）上。由于有沿加速电路的加持，低电平到高电平的转换时间被大大缩短，通信速率由此得到提高。

内置沿加速电路的开关型电平转换器主要特性：

双向电平转换，无需方向引脚

Vcca电压范围1.65~3.6V；Vccb电压范围2.3~5.5V

Vcca和Vccb无上电时序要求

低待机电流

支持多种常用封装

支持开漏模式和推挽模式

额定工作温度范围为-40℃到85℃

内置沿加速电路的开关型电平转换器的主要应用场景：

GPIO，PMBus，SMBus，UART，I2C，SPI

个人电脑

汽车

电信设备

图4 CAG94104S典型电路图

申矽凌开关型电平转换器产品全家福如下：

产品封装

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