電平轉換器（Level Shifter）是解決不同電壓或邏輯電平設備之間通信問題的關鍵器件。以下從原理、選擇、連接和驗證四個步驟，詳細說明如何使用電平轉換器完成信號電平轉換。

一、明確需求：選擇合適的電平轉換器

1. 確定輸入/輸出電平：

• 輸入電平：如 1.8V、3.3V、5V。

• 輸出電平：目標設備的工作電壓（如 3.3V、5V）。

2. 選擇轉換方向：

• 單向轉換：僅從高電平到低電平（或反之）。

• 雙向轉換：支持信號雙向傳輸（如 I2C 總線）。

3. 考慮通信速率：

• 高速信號（如 SPI、UART）需選擇支持高頻率的轉換器。

4. 選擇封裝和配置：

• 根據應用場景選擇貼片封裝或直插封裝。

• 考慮是否需要內置上拉電阻、方向控制引腳等。

二、連接電平轉換器

1. 單向電平轉換（如 5V 轉 3.3V）

• 使用電阻分壓法（簡單但有損耗）：

• 將 5V 信號通過兩個電阻分壓后連接至 3.3V 設備。

• 示例：R1=2kΩ，R2=1kΩ，分壓后輸出為 3.3V。

• 缺點：信號驅動能力弱，易受負載影響。

• 使用專用芯片（推薦）：

• 輸入端接 5V 信號。

• 輸出端接 3.3V 設備。

• 供電引腳分別接 5V 和 3.3V。

• 選擇單向電平轉換芯片（如 TXB0108）。

• 連接方法：

2. 雙向電平轉換（如 I2C 總線）

• 使用雙向轉換芯片（如 PCA9306）：

• SDA、SCL 信號線分別連接至轉換器的 A 端和 B 端。

• A 端接 3.3V 設備，B 端接 5V 設備。

• 供電引腳分別接 3.3V 和 5V。

• I2C 總線需要雙向通信，需選擇支持雙向的轉換器。

• 連接方法：

三、配置電平轉換器

1. 上拉電阻：

• 對于 I2C 等開漏輸出總線，需在電平轉換器的兩側分別配置上拉電阻。

• 示例：3.3V 側上拉至 3.3V，5V 側上拉至 5V。

2. 方向控制：

• 部分電平轉換器（如 TXS0108E）有方向控制引腳（DIR），需根據信號方向配置。

• 雙向轉換器（如 PCA9306）無需方向控制，自動識別信號方向。

3. 電源配置：

• 單電源轉換器：僅需一個電源（如 3.3V）。

• 雙電源轉換器：需兩個電源（如 3.3V 和 5V）。

四、驗證電平轉換效果

1. 使用示波器或邏輯分析儀：

• 測量輸入和輸出信號的電壓，確保符合目標電平。

• 檢查信號的上升沿和下降沿是否符合通信要求。

2. 測試通信功能：

• 通過實際通信測試（如 I2C 讀寫、SPI 數據傳輸）驗證電平轉換是否成功。

3. 檢查負載能力：

• 在輸出端連接負載（如 LED、傳感器），驗證信號驅動能力是否足夠。

五、常見應用場景示例

1. 微控制器與傳感器通信

• 問題：微控制器工作在 3.3V，傳感器工作在 5V。

• 解決方案：

• 使用 TXB0108 將 5V 傳感器信號轉換為 3.3V。

• 或使用 PCA9306 實現 I2C 總線的雙向電平轉換。

2. 不同電壓域的 FPGA 通信

• 問題：FPGA1 工作在 1.8V，FPGA2 工作在 3.3V。

• 解決方案：

• 使用 TXS0102 實現 1.8V 到 3.3V 的單向轉換。

• 或使用雙向轉換芯片支持更復雜的通信。

六、注意事項

1. 信號完整性：

• 電平轉換可能引入延遲，需確保延遲在通信協議允許范圍內。

2. 驅動能力：

• 檢查轉換器的輸出驅動能力是否滿足負載需求。

3. 保護電路：

• 對于高電壓信號，需確保轉換器具備過壓保護功能。

4. 接地問題：

• 雙電源轉換器需確保兩個電源的 GND 共地，避免地電位差導致信號異常。

七、推薦電平轉換芯片

芯片型號

特點

應用場景

總結

使用電平轉換器的核心步驟是：

1. 明確需求：確定輸入/輸出電平、通信速率等。

2. 選擇器件：根據需求選擇單向或雙向轉換器。

3. 正確連接：按照芯片數據手冊連接信號線、電源和地線。

4. 驗證效果：通過測試確保信號電平轉換成功，通信正常。

通過以上步驟，可以高效、穩定地實現信號電平的轉換。