转发一个深度、实用的技术帖——实现ADM3251E与3.3V系统的RS-232接口隔离
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隨著對處理速度及功耗的需求增長，控制芯片越來越趨向于小體積，低功耗。因此其工作所需的電源電壓也降低至3.3V，甚至1.8V。這造成了與5V供電的接口芯片連接時，電平不匹配的問題。
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RS-232總線標準是最常見的串行通信總線標準之一，主要應用于系統間的通信連接。在一些應用領域，RS-232接口的隔離防護是必須的，ADI公司基于iCoupler磁隔離技術的隔離型RS-232接口收發器ADM3251E，內部集成DC-DC隔離電源，信號隔離通道及RS-232收發器，接口帶有±15KV的ESD保護和25KV/us的共模抑制能力，非常適于工作在苛刻的電氣環境或頻繁插拔RS-232電纜的環境中。
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ADM3251E的出現替代了之前的光耦隔離方案，減少PCB面積，提高接口穩定性且降低了成本。由于其內部集成有DC-DC隔離電源，因此無需外部分立的DC-DC隔離電源模塊供電，提供了單芯片的RS-232接口隔離方案。但值得注意的是，ADM3251E的電源輸入引腳VCC，只有在5V輸入電壓時，才能使芯片內部的DC-DC隔離電源有效，當VCC采用3.3V供電時，芯片內部DC-DC隔離電源無效，此時需要我們外接分立的DC-DC隔離電源模塊供電。
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由于ADM3251E的輸入側Tin引腳是CMOS結構，其輸入電壓范圍是：高電平不低于0.7VCC，低電平不高于0.3VCC，即當5V供電時，輸入高電平需高于3.5V，輸入低電平需低于1.5V。下面是我搜集的幾種簡單的電平轉換電路，以方便3.3V的控制信號與5V供電的ADM3251E通信。
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3.3V信號轉5V信號
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1、采用MOSFET
如圖1所示，電路由一個N溝道FET和一個上拉電阻構成。在選擇R1的阻值時，需要考慮輸入的開關速度和R1上的電流消耗。當R1值較小時，可以提高輸入開關速度，獲取更短的開關時間，但卻增大了低電平時R1上的電流消耗。
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圖1，采用MOSFET實現3V至5V電平轉換
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2、采用二極管鉗位
如圖2所示，由于3.3V信號的低電平一般不高于0.5V，當3.3V系統輸出低電平時，由于D1的鉗位作用，使得5V輸出端會得到0.7V~1.2V的低電壓，低于ADM3251E的最高不超過1.5V的低電平閾值。當3.3V系統輸出高電平時，由于D2的鉗位作用，使5V輸出端會得到約4V的高電平電壓，高于ADM3251E的最低不低于3.5V的高電平閾值。
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圖2，采用二極管實現3V至5V電平轉換
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3、采用三極管
如圖3所示，當3.3V系統高電平信號輸入時，Q1導通，Q2截止，在5V輸出端得到5V電壓。當3.3V系統低電平信號輸入時，Q1截止，Q2導通，在5V輸出端得到低電平。此電路同樣也適用于5V轉3V的情況，只要將上拉的電壓換成3.3V即可。
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圖3，采用三極管實現3V至5V電平轉換
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以上三種方法比較簡單，能夠很方便的實現電平轉換，但對傳輸速率有一定的限制，對于9600，19200等常用傳輸速率，使用這些方法沒有問題。也可以采用電壓比較器、運算放大器或OC門芯片74HC05來實現3V至5V的電平轉換。對于高于100K傳輸速率的應用，我們可采用一些專門的電平轉換芯片，如74LVX4245、SN74LVC164245、MAX3370等，但這些芯片價格偏高。當然，我們也可以采用ADUM1201搭配DC-DC隔離電源模塊和RS-232收發器的分立隔離方案，ADUM1201不但能對信號進行隔離，還能夠在隔離信號的同時方便的實現3V至5V的電平轉換。
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5V信號轉3.3V信號
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一些3.3V供電的控制芯片能夠承受5V的輸入電壓，但更多的控制芯片只能接受3.3V的輸入信號，因此需要將ADM3251E的Rout引腳輸出5V信號轉為3.3V電平信號。
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1、采用二極管鉗位
如圖4所示，利用二極管的鉗位作用，將5V電平轉換為3.3V電平，R1的作用是限流，但串聯了限流電阻R1會降低輸入開關的速度。采用此電路時，會通過二極管D1向3.3V電源輸入電流，如果電流過高可能會使3.3V電源電壓超過3.3V。
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圖4，采用二極管鉗位作用實現5V至3V電平轉換
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2、采用三極管
如圖5所示，三極管在此電路中也起到鉗位的作用，且不會將電流引入3.3V電源。
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圖5，采用三極管實現5V至3V電平轉換
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3、采用電阻分壓
如圖6所示，這應該是最簡單的降低電平的方法。
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圖6，采用電阻分壓實現5V至3V電平轉換
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以上電路能夠方便的實現ADM3251E與3.3V供電的控制系統之間的通信。其整體電路圖如圖7：
圖7，ADM3251E與3.3V系統的通信
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圖中采用三極管加上拉電阻升壓的方法將3.3V的輸入信號拉升到5V，輸入到ADM3251E的Tin引腳，而ADM3251E的Rout引腳5V輸出信號經電阻分壓，轉換成3.3V信號輸入到以3.3V電源工作的控制器中。
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需要注意的是，上拉電阻及限流電阻都會不通程度的影響數據傳輸速率。
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ADM3251E外圍共需6個電容，2個瓷片104電容，和4個電荷泵電容，泵電容是很重要的，用來穩定RS-232的輸出信號，保證足夠的升壓，因此推薦使用耐壓16V，0.1uF的電解電容。
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此外，我們也可以選擇采用ADUM1201的分立隔離方案，能夠在實現信號隔離的同時實現電平的轉換，其電路如圖8所示：
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圖8，采用ADUM1201實現3.3V控制系統與5V供電的RS-232收發器的隔離通信
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電平轉換在目前的數字電路設計中應用的越來越多，ADUM磁隔離芯片能夠在隔離信號的同時，方便的實現電平轉換，大大節省了設計時間和PCB體積。ADM3251E內部集成DC-DC隔離電源，在5V電源輸入的情況下，內部隔離電源工作，在3.3V電源輸入情況下，內部隔離電源不工作，需要外接隔離電源供電，當外接隔離電源時，同樣可以實現3.3V的輸入信號轉為RS-232信號輸出的功能。
總結
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