5V轉3.3V穩壓芯片原理圖-5V轉3.3V電源（五種技術方案）KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-06-19
通常 5V 輸出的 VOH 為 4.7 伏， VOL 為 0.4 伏；而通常 3.3V LVCMOS 輸入的 VIH 為 0.7 x VDD， VIL為 0.2 x VDD。
當 5V 輸出驅動為低時，不會有問題，因為 0.4 伏的輸出小于 0.8 伏的輸入閾值。當 5V 輸出為高時， 4.7 伏的 VOH 大于 2.1 伏 VIH，所以，我們可以直接把兩個引腳相連，不會有沖突，前提是3.3V CMOS 輸出能夠耐受 5 伏電壓。
如果 3.3V CMOS 輸入不能耐受 5 伏電壓，則將出現問題，因為超出了輸入的最大電壓規范。
很多廠商都使用鉗位二極管來保護器件的 I/O 引腳，防止引腳上的電壓超過最大允許電壓規范。鉗位二極管使引腳上的電壓不會低于 Vss 超過一個二極管壓降，也不會高于 VDD 超過一個二極管壓降。要使用鉗位二極管來保護輸入，仍然要關注流經鉗位二極管的電流。流經鉗位二極管的電流應該始終比較小 （在微安數量級上）。如果流經鉗位二極管的電流過大，就存在部件閉鎖的危險。由于5V 輸出的源電阻通常在 10Ω 左右，因此仍需串聯一個電阻，限制流經鉗位二極管的電流，如圖所示。使用串聯電阻的后果是降低了輸入開關的速度，因為引腳 （CL）上構成了 RC 時間常數。
如果沒有鉗位二極管，可以在電流中添加一個外部二極管，如圖所示。
使用二極管鉗位有一個問題，即它將向 3.3V 電源注入電流。在具有高電流 5V 輸出且輕載 3.3V 電源軌的設計中，這種電流注入可能會使 3.3V 電源電壓超過 3.3V。為了避免這個問題，可以用一個三極管來替代，三極管使過量的輸出驅動電流流向地，而不是 3.3V 電源。設計的電路如圖所示。
Q1的基極-發射極結所起的作用與二極管鉗位電路中的二極管相同。區別在于，發射極電流只有百分之幾流出基極進入 3.3V 軌，絕大部分電流都流向集電極，再從集電極無害地流入地。基極電流與集電極電流之比，由晶體管的電流增益決定，通常為10-400，取決于所使用的晶體管。
可以使用簡單的電阻分壓器將 5V 器件的輸出降低到適用于 3.3V 器件輸入的電平。這種接口的等效電路如圖所示。
通常，源電阻 RS 非常小 （小于 10Ω），如果選擇的 R1 遠大于 RS 的話，那么可以忽略 RS 對 R1 的影響。在接收端，負載電阻 RL 非常大 （大于500 kΩ），如果選擇的R2遠小于RL的話，那么可以忽略 RL 對 R2 的影響。
在功耗和瞬態時間之間存在取舍權衡。為了使接口電流的功耗需求最小，串聯電阻 R1 和 R2 應盡可能大。但是，負載電容 （由雜散電容 CS 和 3.3V 器件的輸入電容 CL 合成）可能會對輸入信號的上升和下降時間產生不利影響。如果 R1 和 R2 過大，上升和下降時間可能會過長而無法接受。
如果忽略 RS 和 RL 的影響，則確定 R1 和 R2 的式子由下面的公式如圖給出。
公式給出了確定上升和下降時間的公式。為便于電路分析，使用戴維寧等效計算來確定外加電壓 VA 和串聯電阻 R。戴維寧等效計算定義為開路電壓除以短路電流。根據公式 12-2 所施加的限制，對于圖所示電路，確定的戴維寧等效電阻 R 應為 0.66*R1，戴維寧等效電壓 VA 應為0.66*VS。
例如，假設有下列條件存在：
雜散電容 = 30 pF
負載電容 = 5 pF
從 0.3V 至 3V 的最大上升時間 ≤ 1 μs
外加源電壓 Vs = 5V
確定最大電阻的計算如公式所示。
此技巧使用運算放大器衰減從 5V 至 3.3V 系統的信號幅值。
要將 5V 模擬信號轉換為 3.3V 模擬信號，最簡單的方法是使用 R1:R2 比值為 1.7:3.3 的電阻分壓器。然而，這種方法存在一些問題。
1）衰減器可能會接至容性負載，構成不期望得到的低通濾波器。
2）衰減器電路可能需要從高阻抗源驅動低阻抗負載。
無論是哪種情形，都需要運算放大器用以緩沖信號。
所需的運放電路是單位增益跟隨器 （見圖）。
電路輸出電壓與加在輸入的電壓相同。
為了把 5V 信號轉換為較低的 3V 信號，我們只要加上電阻衰減器即可。
如果電阻分壓器位于單位增益跟隨器之前，那么將為 3.3V 電路提供最低的阻抗。此外，運放可以從3.3V 供電，這將節省一些功耗。如果選擇的 X 非常大的話， 5V 側的功耗可以最大限度地減小。
如果衰減器位于單位增益跟隨器之后，那么對 5V源而言就有最高的阻抗。運放必須從 5V 供電，3V 側的阻抗將取決于 R1||R2 的值。
在將 5V 信號傳送給 3.3V 系統時，有時可以將衰減用作增益。如果期望的信號小于 5V，那么把信號直接送入 3.3V ADC 將產生較大的轉換值。當信號接近 5V 時就會出現危險。所以，需要控制電壓越限的方法，同時不影響正常范圍中的電壓。這里將討論三種實現方法。
1. 使用二極管，鉗位過電壓至 3.3V 供電系統。
2. 使用齊納二極管，把電壓鉗位至任何期望的電壓限。
3. 使用帶二極管的運算放大器，進行精確鉗位。
進行過電壓鉗位的最簡單的方法，與將 5V 數字信號連接至 3.3V 數字信號的簡單方法完全相同。使用電阻和二極管，使過量電流流入 3.3V 電源。選用的電阻值必須能夠保護二極管和 3.3V 電源，同時還不會對模擬性能造成負面影響。如果 3.3V 電源的阻抗太低，那么這種類型的鉗位可能致使3.3V 電源電壓上升。即使 3.3V 電源有很好的低阻抗，當二極管導通時，以及在頻率足夠高的情況下，當二極管沒有導通時 （由于有跨越二極管的寄生電容），此類鉗位都將使輸入信號向 3.3V 電源施加噪聲。
為了防止輸入信號對電源造成影響，或者為了使輸入應對較大的瞬態電流時更為從容，對前述方法稍加變化，改用齊納二極管。齊納二極管的速度通常要比第一個電路中所使用的快速信號二極管慢。不過，齊納鉗位一般來說更為結實，鉗位時不依賴于電源的特性參數。鉗位的大小取決于流經二極管的電流。這由 R1 的值決定。如果 VIN 源的輸出阻抗足夠大的話，也可不需要 R1。
如果需要不依賴于電源的更為精確的過電壓鉗位，可以使用運放來得到精密二極管。電路圖所示。運放補償了二極管的正向壓降，使得電壓正好被鉗位在運放的同相輸入端電源電壓上。如果運放是軌到軌的話，可以用 3.3V 供電。
由于鉗位是通過運放來進行的，不會影響到電源。
運放不能改善低電壓電路中出現的阻抗，阻抗仍為R1 加上源電路阻抗。
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