电平转换器在接口上的应用

 随着人们对降低功耗需求的不断增加，现如今许多系统级设计朝着电源电压不断降低的趋势发展。随着处理器电压电平的降低，外设仍然保持较高的电压电平，因此会在系统中产生不连续的电压电平。一种解决该问题的方案是使用电压转换器，将信号电压电平升压或降压至另一个电平。它们非常适合用于简单的 GPIO 应用以及常见的推挽接口，如 SPI、UART、JTA。本文将讨论业界通用接口以及常见的终端设备应用，重点介绍江苏润石现有RS020x和RSxTx45系列产品在这些接口上的应用。

一、RS020x系列产品介绍

  RS020x系列器件属于江苏润石的自动双向电平转换器系列。这一系列电压转换器提供1、2、4、8这四种通道数和两个独立的可配置电源轨，对输入信号进行升压或降压转换。根据设计，RS020x转换器适用于A端1.2-3.6V向B端1.65-5.5V转换，或者将B端电压往A端电压进行降压转换。这些器件最高支持100Mbps的传输数据速率（详情请参考官网规格书）。VCC 隔离、IOFF 功能以及具有 5kV HBM（人体放电模型）的内置 ESD（静电放电）保护功能。请查看表1，了解RS020x系列指标。

二、RSxTx45系列产品介绍

  RSxTx45系列器件属于江苏润石的方向控制型电平转换器系列。这些电压转换器使用两个独立的可配置电源轨，对输入信号进行升压或降压转换。根据设计，RSxTx45系列转换器适用于1.65V至5.5V的VCC 范围。该系列同样给使用者提供1、2、4、8四种不同通道数。这些器件支持高达200Mbps 的数据速率，同时提供 32mA 的驱动强度。VCC 隔离、IOFF 功能以及具有 3kV HBM（人体放电模型）内置 ESD（静电放电）保护功能。

三、常见接口和使用RS020x/RSxTx45系列实现

1、通用输入输出口（GPIO）

  所有微处理器都具有用于与外设进行通信的通用输入输出 (GPIO) 端口。然而，内核和外设芯片可能在不同的电压电平下工作，这就是系统需要电平转换器的原因。如果所需的信号没有转入微处理器的工作电压，就会影响通信的可靠性。RS1T45可作为I/O电路的一部分来实现，尤其是在单通道信号（例如控制输入）中。RS1T45为电压转换 I/O 引脚提供了解决方案，例如以下引脚：

1）使能  2）重启  3）时钟缓冲  4）电源正常状态  

5）错误标志 6）复位  7）存储器错误  8）处理器过热

例如图1所示LED驱动

图1 使用RS1T45进行GPIO转换实现LED驱动

2、串行外设接口 (SPI)

  串行外设接口 (SPI) 可提供处理器与外设之间的同步通信。SPI 是一种“控制器-外设”架构的四线制通信接口， 其中三条线路由控制器（通常是处理器）驱动，一条线路由外设（通常是外设）驱动。表 3 介绍了 SPI 信号接口。

 控制器驱动的第一条信号线路是CLK，这是时钟信号。对于每个时钟脉冲，控制器可向外设发送或从外设接收一个位。数据速率通常为10Mbps，但可根据需要在系统中进行扩展。SPI是全双工协议，因此需要两条数据线路：COPI和CIPO。COPI代表控制器输出外设输入，由控制器驱动向外设发送数据。CIPO 代表控制器输入外设输出，由外设驱动向控制器发送数据。最后一条线路是 CS，这是外设选择信号。CS 线路由控制器驱动为低电平以选择外设进行通信。一个系统中可能存在多个外设，这可确保与所需的外设进行通信，防止可能出现的系统级总线争用。SPI 常用于：

1）控制信号  2）传感器   3）存储器   4）LCD 显示屏   5）SD 卡

  当信号电平相同时，可使用SPI协议进行器件之间的连接。在电压不匹配的情况下，建议使用电平转换器。RS020x系列是转换SPI中使用的所有四条线路的理想解决方案。RS0204的优点是可自动识别每个通道信号传输的个方向。因此该器件在SPI中非常有用，因为 SPI 中的一条线路与其他三条线路以相反的方向运行。此外，RS020x系列最高可支持 100Mbps，远高于通常的SPI数据速率。SPI接口可容纳在同一控制器下运行的多个独立外设，因此电压转换器的位置是一项重要的设计考量因素。如果总线在另一个不同的电压节点上有多个外设，建议在每个外设之前放置一个信号电平转换器，而不是仅在控制器之后使用一个电平转换器，如图2 所示。

图2 使用RS0204器件的SPI接口

3、UART

  通用异步接收器/发送器 (UART) 作为一种硬件器件，可支持双信号或四信号异步全双工通信接口。UART 负责将并行数据转换为串行数据来进行发送，或反向转换来进行接收。在双信号 UART 接口中，两个信号是主机发送(TX) 信号和主机接收 (RX) 信号。四信号接口包括 RX 信号和 TX 信号，还有用于握手的请求发送 (RTS) 和允许发送 (CTS) 信号。数据帧包含低电平起始位、数据位、可选奇偶校验位和停止位。虽然 UART 会处理数据成帧、生成和接收数据，但不会定义器件之间的通用信令方法。UART 输出是器件工作电压下的信号，例如2.5V。这些信号可在工作电压电平相同的两个 UART 之间的短距离内使用。常规情况并非如此，因此通常会将来自 UART 的信号发送到线路驱动器，将信号转换为RS-232或RS-485等标准。这些标准允许通过定义的信号特性进行更远距离的通信。RS-232 使用–12V至12V的电压范围来改善线路上的噪声容限。RS-485使用差分对来发送信号。RS-485和RS-232 标准都使用 UART 数据成帧，但需要一个收发器来反转和转换 UART 信号。UART 是异步的，因此没有时钟信号。相反，在 UART 中，两个通信器件都必须配置为使用波特率，相当于每秒位数 (bps)。UART 通常被认为是速度在 300bps 到 115kbps 之间的低速接口。

  若要在不同电压电平下运行的两个器件之间使用 UART，需要一个电压转换器。根据系统配置，可使用RS1T45或RS4T245电压转换器。

图3使用 RS1T45进行两线制UART电压转换

图4使用 RS4T245进行四线制UART电压转换

  另一种常见的UART配置是运行两个独立的 UART。若要在此配置中实现转换，可使用RS4T245。相关设置与四线制UART相同，两个方向引脚都被拉到VCCA。在此配置中，两条TX线路将在同一方向上运行，与两条RX线路的方向相反，如图5所示

图5 使用RS4T245进行两个两线制UART接口的电压转换

4、JTAG联合测试行动组

  联合测试行动组 (JTAG) 开发了同名的硬件接口 (JTAG)，用于对嵌入式设计进行调试、测试、验证和编程。JTAG 在运行过程中通常使用五个线路：TCK、TMS、TDI、TDO 和 TRST，如表4所示。测试时钟 (TCK) 提供数据输入和输出的时序。测试模式选择 (TMS) 允许用户选择将要测试的内容。测试数据输入 (TDI) 将要测试的数据输入到被测器件，产生的结果在测试数据输出 (TDO) 上输出。最后一个信号是测试复位 (TEST)，作为一个可选信号，它能够将 JTAG 复位到最后一次已知的良好状态。

 JTAG 与 SPI 类似，因此电压转换器的配置也类似。主要区别在于 JTAG 有四条线路在一个方向上运行，而另一条线路在相反方向上运行。要在低电压FPGA或处理器与JTAG探头之间启用JTAG接口，建议使用RS0204，并采用如图6所示的配置。或者，对于五线制JTAG接口，可使用一个用于TCK、TMS、TDI和TRST信号线路的RS4T245和一个用于在另一个方向上运行的 TDO 线路的RS1T45。

图6 使用RS0204进行JTAG电压转换

四、总结

  江苏润石适用于不同接口的电平转换器

图6 使用RS0204进行JTAG电压转换

五、江苏润石电平转换器替代表