智能手機的邏輯電平轉(zhuǎn)換方案

近一兩年來，在蘋果公司iPhone手機的帶動下，智能手機市場迅速擴大。智能手機等便攜產(chǎn)品的一個重要特點是功能越來越多，從而支持更廣泛的消費需求。但智能手機等便攜產(chǎn)品內(nèi)部用于支持不同功能的集成電路(IC)或模塊的工作電壓往往不同，如基帶處理器和應(yīng)用處理器電壓一般在1.5 V至1.8 V之間，而現(xiàn)有許多外設(shè)工作電壓一般為2.6至3.3 V，如USIM卡、Wi-Fi模塊、調(diào)頻(FM)調(diào)諧器模塊工作電壓為2.8 V，而相機模塊為2.7 V。

圖1：邏輯電平轉(zhuǎn)換器應(yīng)用示意圖。

因此，智能手機等便攜產(chǎn)品中的不同IC與外設(shè)模塊之間存在輸入/輸出電壓失配問題，要使這些器件與模塊之間互相通信，需要高效的邏輯電壓電平轉(zhuǎn)換。所謂的邏輯電平轉(zhuǎn)換器即連接不同工作電壓的IC與模塊或印制電路板(PCB)，提供系統(tǒng)集成解決方案。
傳統(tǒng)邏輯電平轉(zhuǎn)換方法及其優(yōu)缺點

表1：傳統(tǒng)邏輯電平轉(zhuǎn)換方法及優(yōu)缺點

由于晶體管-晶體管邏輯(TTL)和互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)是邏輯電路中的標(biāo)準(zhǔn)電平，因傳統(tǒng)邏輯電平轉(zhuǎn)換方法中，TTL-CMOS輸入轉(zhuǎn)換很常見。這種轉(zhuǎn)換方法簡單，成本低，主要用于低電平至高電平轉(zhuǎn)換，也能用于轉(zhuǎn)換高電平至低電平。這種轉(zhuǎn)換方法也存在一些缺點。其它傳統(tǒng)邏輯電平轉(zhuǎn)換方法還有過壓容限(OVT)電壓轉(zhuǎn)換、漏極開路(OD)/有源下拉轉(zhuǎn)換和分立I2C轉(zhuǎn)換等，各有其優(yōu)缺點，參見表1。
雙電源邏輯電平轉(zhuǎn)換及應(yīng)用
邏輯電平轉(zhuǎn)換中會消耗功率。例如，在低至高電平轉(zhuǎn)換中，為了輸出高邏輯電平，輸入電壓(Vin)低于VCC，電源電流變化(ΔICC)始終較高，因此功耗也較高。為了解決高功耗的問題，可以采用雙電源電壓(VCCA及VCCB)邏輯電平轉(zhuǎn)換器，在邏輯電源電壓(VL)等于Vin時，ΔICC就為0，從而降低功耗。
常見雙電源邏輯電平轉(zhuǎn)換包括單向轉(zhuǎn)換、帶方向控制引腳的雙向轉(zhuǎn)換、自動感測雙向轉(zhuǎn)換(推挽型輸出)及用于漏極開路應(yīng)用(如I2C)的自動感測雙向轉(zhuǎn)換等，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2：幾種雙電源邏輯電平轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖

在這些雙電源邏輯電平轉(zhuǎn)換方法中，單向邏輯電平轉(zhuǎn)換的原理就是在輸出啟用(Output Enable,)為低電平時，提供A點至B點轉(zhuǎn)換；而在輸出啟用為高電平時，A、B之間呈現(xiàn)高阻態(tài)(Hi-Z)，通常當(dāng)作電阻無窮大來處理，相當(dāng)于沒有接通。常見的雙電源單向邏輯電平轉(zhuǎn)換器有如安森美半導(dǎo)體的NLSV1T34AMX1TCG、NLSV2T244MUTAG、NLSV4T3234FCT1G、NLSV8T244MUTAG、NLSV22T244MUTAG等。這些雙電源單向邏輯電平轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用包括通用輸入輸出(GPIO)端口、串行外設(shè)接口(SPI)端口和通用串行總線(USB)端口等。
帶方向控制引腳的雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器的工作原理是：引腳和方向控制(DIRection，T/)引腳均為低電平時，提供B點至A點轉(zhuǎn)換；引腳為低電平、T/引腳為高電平時，提供A點至B點轉(zhuǎn)換；而在引腳為高電平時，A點至B點方向和B點至A點方向均處于高阻態(tài)，相當(dāng)于沒有接通。安森美半導(dǎo)體即將推出帶方向控制引腳的雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器。這類轉(zhuǎn)換器的常見應(yīng)用是以字節(jié)(byte)訪問的存儲器及I/O器件。
自動感測雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器(推挽型輸出)的工作原理是：啟用(EN)引腳為低電平時，轉(zhuǎn)換器處于待機狀態(tài)；EN引腳為高電平、I/O電平不變時，轉(zhuǎn)換器處于穩(wěn)態(tài)；EN引腳為高電平、I/O電平變化時，轉(zhuǎn)換器檢測到變化，并產(chǎn)生脈沖，I/O藉P溝道MOSFET(PMOS)上拉至更快。典型的自動感測方向雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器(推挽型輸出)有如安森美半導(dǎo)體的NLSX3012MUTAG、NLSX3013FCT1G、NLSX3013BFCT1G、NLSX4014MUTAG和NLSX3018MUTAG等。這類轉(zhuǎn)換器的常見應(yīng)用包括通用異步收發(fā)器(UART)、USB端口、4線SPI端口和3線SPI端口等。
用于漏極開路應(yīng)用(如I2C)的自動感測雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器同樣包含3個狀態(tài)：EN引腳為高電平、NMOS導(dǎo)通時，處于工作狀態(tài)，輸入端I/O電平下拉至地，即輸入低電平；EN引腳為高電平、NMOS處于高阻態(tài)時，處于工作狀態(tài)，輸出端I/O電平上拉至VCC，即輸入高電平；EN引腳為低電平時，轉(zhuǎn)換器處于待機狀態(tài)。典型的用于漏極開路應(yīng)用(如I2C)的自動感測雙向邏輯電平轉(zhuǎn)換器有如安森美半導(dǎo)體的NLSX4373MUTAG、NLSX4348FCT1G和NSLX4378BFCT1G等。這類轉(zhuǎn)換器的常見應(yīng)用包括I2C總線、用戶識別模塊(SIM)卡、單線(1-Wire)總線、顯示模塊、安全數(shù)字輸入輸出(SDIO)卡等。
上述幾種雙電源邏輯電平轉(zhuǎn)換器中，不帶方向控制引腳的自動感測轉(zhuǎn)換器和帶方向控制引腳的轉(zhuǎn)換器各有其優(yōu)劣勢。自動感測轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在將微控制器的I/O線路減至最少，是用于異步通信的簡單方案，劣勢則是成本高于及帶寬低于帶方向控制引腳的轉(zhuǎn)換器。帶方向控制引腳的轉(zhuǎn)換器優(yōu)勢是作為大宗商品元件，成本低，是用于存儲器映射I/O的簡單方案，劣勢則是微控制器引腳數(shù)量多。
而在不帶方向控制引腳的自動感測轉(zhuǎn)換器中，也有集成方案(如NLSX3373)與分立方案(如NTZD3154N)之區(qū)別。集成方案NLSX3373為單顆IC，估計占用的印制電路板(PCB)空間僅為2.6 mm2；分立方案NTZD3154N采用雙MOSFET及4顆01005封裝(即0402)的電阻，估計占用的PCB總空間為3.3 mm2。集成方案提供低功率待機模式，而分立方案則不提供高阻抗/待機模式。這兩種不同方案的低壓工作特性、帶寬及電路特性也各不相同。
安森美半導(dǎo)體雙電源電平轉(zhuǎn)換器規(guī)范及要求
安森美半導(dǎo)體的雙電源邏輯電平轉(zhuǎn)換器與競爭器件相比，體現(xiàn)出多方面的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括：更寬的電壓轉(zhuǎn)換范圍、更低的靜態(tài)功率消耗和/或支持更高的數(shù)據(jù)率。如安森美半導(dǎo)體帶推挽輸出的自動感測雙向轉(zhuǎn)換器NLSX3013的雙電源轉(zhuǎn)換范圍分別1.3 V至4.5 V和0.9 V至VCC – 0.4 V，性能接近的競爭器件則分別為1.65 V至3.6 V和1.2 V至VCC – 0.4 V；兩者支持的數(shù)據(jù)率分別為140 Mbps和100 Mbps。更具體的比較參見表2。

表2：安森美半導(dǎo)體雙電源邏輯電平轉(zhuǎn)換器與競爭器件的規(guī)范比較

安森美半導(dǎo)體帶推挽輸出的自動感測雙向轉(zhuǎn)換器，如NLSX4014，有其輸入驅(qū)動電流要求。假定I/O電源電壓VL(A點)=0 V，并要正轉(zhuǎn)換至2.8 V(即由低電平轉(zhuǎn)換為高電平)，最初A點=B點=0 V，IIN1流入CMOS器件，因此，IIN ? IIN2，峰值電流IIN ? 2.8 V/1 kΩ = 2.8 mA。這種轉(zhuǎn)換器設(shè)計用于驅(qū)動CMOS輸入，不應(yīng)使用阻值低于50 kΩ的阻性上拉或下拉負載 (見圖3)。此外，在大電容負載中，不應(yīng)當(dāng)使用推挽型自動感測雙向轉(zhuǎn)換器，否則輸出失真會較大，而應(yīng)當(dāng)使用開關(guān)(switch)類型的電平轉(zhuǎn)換器。

圖3：自動感測推挽轉(zhuǎn)換器輸入驅(qū)動電流要求

此外，安森美半導(dǎo)體的這些雙電源電平轉(zhuǎn)換器采用小巧強固的封裝，如ULLGA6、UDFN6、UDFN8、UQFN12、UDFN20、uBump11、uBump12和uBump20等，其中UDFN6封裝的尺寸僅為1.2 mm×1.0 mm，uBump12封裝尺寸僅為1.54 mm×2.02 mm。這些小巧強固的封裝非常適合用于智能手機等便攜應(yīng)用。
安森美半導(dǎo)體完備的邏輯電平轉(zhuǎn)換器陣容
安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，推出完備陣容的極佳邏輯電平轉(zhuǎn)換方案，如雙電源轉(zhuǎn)換器、帶OVT的MiniGateTM系列開關(guān)、MiniGateTM總線開關(guān)等。
其中，雙電源電壓邏輯電平轉(zhuǎn)換器支持寬范圍的高至低和低至高電平轉(zhuǎn)換，并支持單向及雙向信號流，功耗低，采用超小型封裝。帶OVT的MiniGateTM用于滿足寬范圍的高至低電平轉(zhuǎn)換及單向信號流應(yīng)用需求，是標(biāo)準(zhǔn)元件，采用標(biāo)準(zhǔn)及超小封裝，成本低。另外，安森美半導(dǎo)體的MiniGateTM總線開關(guān)即將推出，用于滿足高速(帶寬高于500 MHz)及高至低電平轉(zhuǎn)換應(yīng)用需求，支持雙向信號流及單向轉(zhuǎn)換，采用標(biāo)準(zhǔn)封裝及超小封裝，成本低。這些器件用于滿足客戶的不同需求。圖4顯示了安森美半導(dǎo)體不同邏輯電平轉(zhuǎn)換方案在手機中的應(yīng)用。

圖4：安森美半導(dǎo)體邏輯電平轉(zhuǎn)換方案在手機中的應(yīng)用示意圖

總結(jié)：
安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，為智能手機等便攜應(yīng)用推出完備系列的邏輯電平轉(zhuǎn)換器，包括各種雙電源電壓邏輯電平轉(zhuǎn)換器、帶過壓容限的MiniGateTM系列開關(guān)及高速應(yīng)用的MiniGateTM總線開關(guān)等。以雙電源電壓邏輯電平轉(zhuǎn)換為例，安森美半導(dǎo)體的這些器件提供比競爭器件更優(yōu)異的規(guī)范，如更寬的轉(zhuǎn)換電壓范圍、更低的靜態(tài)功耗及支持更高的數(shù)據(jù)率等。安森美半導(dǎo)體的這些邏輯轉(zhuǎn)換器件除了提供一流的性能，還提供不同配置及位寬，并采用小巧強固的封裝，非常適合便攜應(yīng)用的各種邏輯電平轉(zhuǎn)換需求。