模组串口电路常见电平匹配方法

模组UART、IO、IIC、SPI等外围接口电平域通常为1.8V、2.8V、3V，主流单片机系统的电平域通常为3.3V和5V，当模组与单片机系统进行数据交互时，由于通信双方电平不匹配，可能导致通信失败、电流倒灌、功耗异常、电压异常等问题。为帮助客户解决此类问题，本文将介绍几种常见的电平匹配方法，建议根据实际情况具体选择。

一、直接连接方式

通信双方直连，中间串联一个限流电阻，如图1（2.8V输出与3.3V输入）。直连需满足以下要求：

①2.8V输出的VOH min大于3.3V输入的VIH min；

②2.8V输出的VOL max小于3.3V输入的VIL max。

若通信双方进行直接连接，必须仔细阅读器件规格书，了解MCU和模组的IO口输入输出特性及参数；此外，当高电压系统（如5V）输出高时，还应注意低电压系统IO 口的耐压值是否满足要求。

图1直接连接

二、电阻分压方式

通信双方利用电阻分压进行电平匹配，将3.3V电平转换为2.8V电平，由电阻分压公式可计算出对应阻值，如图2。应用时应注意在功耗和转换时间之间进行权衡。为了使接口电流的功耗需求最小，R18和R19应尽可能大，但寄生电容的存在会使输入信号的上升和下降时间同步增加，在通信速率较高的情况下，可能导致通信失败。

图2电阻分压

三、二极管钳位方式

通信双方利用二极管的钳位特性进行电平匹配，如图3。

①如果VIN>3.3V+VF，则VOUT=3.3V+VF；

②如果VIN<=3.3V+VF，VOUT=VIN。

（VF：二极管的正向导通压降）

选用的电阻R20必须要能保护二极管和3.3V电源，同时还不会对模拟性能造成影响。如果3.3V电源的阻抗太低，那么这种类型的钳位可能致使3.3V电源电压上升。同时，在通信速率较高的情况下，由于二极管存在结电容，此类转换可能会使输入信号对3.3V电源产生干扰。

图3二极管钳位

四、二极管稳压方式

通信双方利用齐纳二极管的稳压特性进行电平匹配，如图4。

①如果VIN>VBR，VOUT=VBR；

②如果VIN<=VBR，VOUT=VIN。

（VBR：齐纳二极管的反向击穿电压）

齐纳二极管的速度通常要比二极管钳位中所使用的快速信号二极管慢。齐纳钳位一般来说更可靠，钳位时不依赖于电源的特性参数，钳位的大小取决于流经二极管的电流，由R21的值决定。

图4二极管稳压

五、二极管隔离方式

通信双方利用二极管的单向导通特性进行电平匹配，如图5。

①当MCU的TXD输出低电平时，二极管导通，使得模组的RX电压为VF（VF为二极管正向导通电压），一般为0.3～0.7V；

②当MCU的TXD输出高电平时，二极管关断，模组的RX端将由上拉电阻R22拉至2.8V；

③当模组的TX输出高电平时，MCU的RX引脚电压等于模组的VOH - VF；

④当模组的TX输出低电平时，二极管关断，MCU的RX电压由下拉电阻R23拉到GND。

图5二极管隔离

六、三极管单向转换方式

通信双方利用三极管的开关特性进行电平匹配，如图6。

①当MCU的TX输出高电平时，三极管截止，模组的RX端由R24上拉至1.8V；

②当MCU的TX输出低电平时，三极管导通，模组的RX端接收到低电平，完成电平从MCU_TX到MZ_RX的单向转换。

在基极电阻R25上建议并联一颗电容C1，可一定程度提高开关速率，称为加速电容。注意此类电平转换通信速率不可太高，建议不超过115200bit/s。实际使用电路可参考图7，C14、C15为加速电容，可提高三极管开关速度、优化波形、提高波特率，注意容值不可过大，1nF以下即可。

图6三极管单向转换

图7带有加速电容的三极管转换

七、NMOS双向电平转换方式

通信双方利用NMOS管进行电平匹配，如图8。

①当1为高电平时，MOS管截止，3处电压经R3上拉到3.3V，也为高电平；

②当1为低电平时，由于体二极管的存在，使得3（Q1源极）的电压为VF（体二极管正向导通电压），即 Vgs > Vgs on，从而使得Q1导通，导通后3处的电压即和1基本等电位，故3也为低电平；

③当3为高电平时，MOS管截止，1处电压经R1上拉到5V，也为高电平；

④当3为低电平时，Vgs=3V，大于MOS管开启电压Vgson，故MOS管导通，将1处电压拉低。

因MOS管存在开关速度问题，故此种形式的电平转换电路速率不能过高，一般控制在1MHz以内。对于标准模式100kbit/s或快速模式400kbit/s的I2C总线，该电平转换电路不存在任何限制问题。应用时需要注意：由于体二极管的存在，电压低的IO要接S极，电压高的接D极，不能接反。

图8 NMOS双向电平转换

八、电平转换专用IC方式

通信双方利用电平转换芯片进行电平匹配，如图9、10。电平转换芯片有单向和双向之分，输出可分为开漏和推挽式，还有通道数可选，如单通道、双通道、四通道、八通道等，一般自带有ESD保护，可靠性高。常见型号有：TXS0108EPWR、TXB0102DCUR、74LVX3245MTCX等。其优点是转换速率高，性能稳定可靠，具有ESD保护，外围器件少，节省PCB空间；缺点是芯片成本较高。

图9电平转换专用IC(1)

图10电平转换专用IC(2)