一、什么是電平轉(zhuǎn)換

電平轉(zhuǎn)換是指在電子電路中，將一種電壓邏輯電平轉(zhuǎn)換為另一種電壓邏輯電平的過(guò)程。

常見(jiàn)的場(chǎng)景是不同芯片或模塊之間工作電壓不一致（例如 5V 系統(tǒng)和 3.3V 系統(tǒng)），為了保證信號(hào)能夠被正確識(shí)別，就需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

舉個(gè)例子：

一個(gè) 3.3V 微控制器（MCU） 給 5V 邏輯芯片 傳輸信號(hào)時(shí)，如果沒(méi)有電平轉(zhuǎn)換，5V 邏輯芯片可能無(wú)法正確識(shí)別 3.3V 的高電平。

相反，5V 芯片的信號(hào)直接輸入到 3.3V 芯片時(shí)，可能會(huì)損壞 3.3V 芯片的輸入端口。

因此，電平轉(zhuǎn)換在多電壓系統(tǒng)中是非常關(guān)鍵的接口電路。

二、電平轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場(chǎng)景

不同電壓標(biāo)準(zhǔn)的接口通信

例如 I2C、UART、SPI、GPIO 在不同電壓平臺(tái)間通信時(shí)。

微處理器與外設(shè)連接

3.3V 單片機(jī)與 5V 傳感器、模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

存儲(chǔ)器接口

DDR、Flash 等存儲(chǔ)芯片可能與主控芯片電壓不同，需要電平匹配。

高速信號(hào)與低功耗設(shè)計(jì)

在一些低功耗設(shè)計(jì)中，核心工作電壓可能降低至 1.8V 或 1.2V，這時(shí)電平轉(zhuǎn)換更加普遍。

三、電平轉(zhuǎn)換的方式

電平轉(zhuǎn)換可以通過(guò)不同電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，常見(jiàn)方法如下：

電阻分壓

用兩個(gè)電阻組成分壓電路，把高電壓降為低電壓。

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、成本低。

缺點(diǎn)：只適合單向、低速信號(hào)，不能滿足雙向通信。

二極管或鉗位電路

使用二極管（如肖特基二極管）和電阻，防止高電壓超過(guò)低電壓芯片的最大允許值。

常用于保護(hù)輸入。

MOSFET 電平轉(zhuǎn)換

最常見(jiàn)的 I2C 雙向電平轉(zhuǎn)換電路，利用 N 溝道 MOSFET 的體二極管和導(dǎo)通特性實(shí)現(xiàn)雙向電平轉(zhuǎn)換。

優(yōu)點(diǎn)：支持雙向，速度較快。

專用電平轉(zhuǎn)換芯片（Level Shifter IC）

如 TXB0108、TXS0108E、74LVC245 等。

優(yōu)點(diǎn)：高速、可靠、支持多路。

常用于 SPI、UART、GPIO、并行總線的電平轉(zhuǎn)換。

開(kāi)集電極/開(kāi)漏輸出 + 上拉電阻

在 I2C 等總線上廣泛使用。不同電壓系統(tǒng)通過(guò)上拉電阻接到各自電源，實(shí)現(xiàn)電平兼容。

四、電平轉(zhuǎn)換的注意事項(xiàng)

方向性

部分電平轉(zhuǎn)換電路只能單向工作，通信總線要確認(rèn)方向。

例如電阻分壓方式只能從高電壓到低電壓。

速度與帶寬

電阻分壓適合低速；

MOSFET 電路適合中速；

專用芯片適合高速數(shù)據(jù)傳輸。

功耗與電源電壓

電平轉(zhuǎn)換電路必須與目標(biāo)系統(tǒng)電壓匹配，否則會(huì)損壞芯片。

信號(hào)完整性

高速電平轉(zhuǎn)換時(shí)，要考慮傳輸延時(shí)、波形畸變、反射等問(wèn)題。

五、總結(jié)

電平轉(zhuǎn)換 = 不同電壓系統(tǒng)間的橋梁。

常見(jiàn)方法有：電阻分壓、二極管鉗位、MOSFET 電平轉(zhuǎn)換、專用芯片等。

應(yīng)用廣泛于 MCU 與外設(shè)通信、跨電壓接口、存儲(chǔ)器連接等場(chǎng)景。

設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合 電壓方向、速率要求、信號(hào)類型（單向/雙向） 來(lái)選擇合適的電平轉(zhuǎn)換方案。