1. 引言

FXLP34 是一個(gè)單一轉(zhuǎn)換器，具有兩個(gè)獨(dú)立的供電電壓：VCC1輸入平移電壓和V值CC用于輸出平移電壓。FXLP34 是 onsemi 超低功耗（ULP）系列產(chǎn)品的一部分。該器件的工作頻率為V。CC電壓范圍為1.0V至3.6V，適用于需要超低功耗的便攜應(yīng)用。內(nèi)部電路由最小的緩沖級(jí)組成，以實(shí)現(xiàn)超低動(dòng)態(tài)功率。FXLP34獨(dú)特地設(shè)計(jì)以優(yōu)化功率和速度，采用先進(jìn)的CMOS技術(shù)制造，實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行同時(shí)保持低CMOS功耗。

電壓翻譯器，或有時(shí)稱為“電平轉(zhuǎn)換器”，允許不共享公共 V_CC 域的信號(hào)耦合。例如，從 1.0 V 設(shè)備生成的信號(hào)可能需要連接到 3.3 V 設(shè)備。在圖 1 中，F(xiàn)XLP34 電壓翻譯器可用于將 1.0 V 信號(hào)從設(shè)備 A 轉(zhuǎn)換為設(shè)備 B 的 3.3 V 信號(hào)。

2. 單向電壓翻譯

圖 1 的電壓翻譯在設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。只要翻譯器的 V_CCA 引腳與設(shè)備 A 的 V_CC 一致，翻譯器的 V_CCB 引腳與設(shè)備 B 的 V_CC 一致，并且 V_CCA 和 V_CCB 在各自的規(guī)定工作電壓范圍內(nèi)；設(shè)備 B 會(huì)自動(dòng)從設(shè)備 A 接收有效的 3.3 V 信號(hào)，即使設(shè)備 A 僅生成 1.0 V 信號(hào)。FXLP34 翻譯器在 V_CCB 等于 3 V 時(shí)提供 2.6 mA 的直流驅(qū)動(dòng)。圖 1 的翻譯器僅限于從設(shè)備 A 到設(shè)備 B 的電平轉(zhuǎn)換。該翻譯器被視為單向的。一些電平轉(zhuǎn)換應(yīng)用需要雙向功能，如圖 2 所示。

3. 雙向電壓翻譯

圖 2 的 FXLH1T45 翻譯器提供雙向電平轉(zhuǎn)換，方向由 DIR 引腳決定。如果 DIR 為低，設(shè)備 B 向設(shè)備 A（接收器）發(fā)送。如果 DIR 為高，設(shè)備 A 向設(shè)備 B（接收器）發(fā)送。為了最小化總線爭(zhēng)用，設(shè)備 A 和設(shè)備 B 應(yīng)在方向變化期間禁用（3 狀態(tài)）各自的 I/O 引腳。FXLH1T45 在輸出 V CC 等于 3 V 時(shí)提供 18 mA 的直流驅(qū)動(dòng)。圖 2 的雙向翻譯器在某種程度上是有限的，因?yàn)榉较蚩刂频呢?fù)擔(dān)在設(shè)備 A 或設(shè)備 B 之間。這個(gè)限制導(dǎo)致了圖 3 中“自動(dòng)方向”翻譯器的創(chuàng)新。

圖 1. FXLP34 單向翻譯器

圖 2. FXLH1T45 雙向翻譯器

圖 3. FXLA101 自動(dòng)方向總線保持翻譯器

圖 3 的自動(dòng)方向翻譯器不需要方向引腳。它通過(guò)專有的總線保持電路在設(shè)備 A 和設(shè)備 B 之間執(zhí)行自動(dòng)雙向電平轉(zhuǎn)換。

4. 總線保持

圖 4 說(shuō)明了總線保持電路的基本功能。基本上，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)強(qiáng)驅(qū)動(dòng)器，電流在 20 mA 到 30 mA 之間（取決于 V CC），在檢測(cè)到 A 或 B 上的低到高或高到低邊緣后，暫時(shí)開(kāi)啟約 10 到 40 ns。在動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉（超時(shí)）后，一個(gè)較弱的驅(qū)動(dòng)器保持動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器之前傳遞的狀態(tài)。這個(gè)弱的總線保持驅(qū)動(dòng)器保持這個(gè)狀態(tài)，直到下一個(gè)外部 A 或 B 側(cè)的低到高或高到低轉(zhuǎn)換被感知。通常，需要 500 μA 的外部源或吸收電流來(lái)通過(guò)外部設(shè)備覆蓋總線保持。強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器快速充電和放電電容傳輸線。這個(gè)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng) 50 pF。在總線保持狀態(tài)下關(guān)閉動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，功耗最小化，I CC 小于 10 μA。

圖 4. 總線保持框圖，單通道

圖 5 顯示了總線保持自動(dòng)方向架構(gòu)的詳細(xì)視圖。當(dāng) OE = high時(shí)，A 和 B 上的邊緣檢測(cè)器感知任何端口的轉(zhuǎn)換，以覆蓋當(dāng)前保持的狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)邊緣檢測(cè)器感知到轉(zhuǎn)換時(shí)，這個(gè)邊緣檢測(cè)器關(guān)閉另一個(gè)邊緣檢測(cè)器，設(shè)置適當(dāng)?shù)姆较颍缓笥|發(fā)該方向的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器。這個(gè)動(dòng)態(tài)路徑由圖 5 中的橙色箭頭表示。動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器開(kāi)啟約 10 ns 到 40 ns。當(dāng)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉且輸出狀態(tài)改變時(shí)，“保持器”繼續(xù)以 100 μA 到 500 μA 的弱驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度保持此狀態(tài)，具體取決于參考的 V_CC。這個(gè)保持路徑或循環(huán)由實(shí)心橙色箭頭表示。在這個(gè)保持狀態(tài)下，兩個(gè)邊緣檢測(cè)器都會(huì)被啟用。當(dāng) OE = low時(shí)，A 和 B 彼此斷開(kāi)，兩個(gè)邊緣檢測(cè)器都被禁用。A 和 B 由“保持器”保持在其當(dāng)前狀態(tài)。這些保持路徑或循環(huán)由實(shí)心綠色箭頭表示。

總之，A 和 B 上的“保持器”是負(fù)責(zé)保持當(dāng)前電壓狀態(tài)的弱驅(qū)動(dòng)器。A 和 B 端口的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器（帶超時(shí)）是負(fù)責(zé)強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)由邊緣檢測(cè)器電路感知的新?tīng)顟B(tài)的強(qiáng)驅(qū)動(dòng)器。MUX 負(fù)責(zé)改變總線保持的所有權(quán)。當(dāng)啟用時(shí)，A 保持 B 端口，B 保持 A 端口。如果禁用，A 保持 A 端口，B 保持 B 端口。

圖 5. 總線保持框圖詳細(xì)圖，單通道

強(qiáng)輸出驅(qū)動(dòng)器在LH / HL轉(zhuǎn)換期間的強(qiáng)度由圖6中的動(dòng)態(tài)輸出電流HIGH / LOW (IOLH, IOHD)圖捕獲。由于強(qiáng)輸出驅(qū)動(dòng)器僅在LH/HL轉(zhuǎn)換期間開(kāi)啟，因此實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流難以直接測(cè)量。用以下公式近似驅(qū)動(dòng)電流：

其中 C_IO = 典型的集中電容，V_CCO 是輸出驅(qū)動(dòng)器的供電電壓。圖6描繪了具有4 pF集中負(fù)載電容的自動(dòng)方向總線保持架構(gòu)的典型動(dòng)態(tài)輸出電流。總線保持動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)最小50 pF。

圖6. 自動(dòng)方向總線保持的動(dòng)態(tài)輸出電流

除了上述AC參數(shù) (I_OHD 和 I_OLD) 外，還有三個(gè)與總線保持電路相關(guān)的基本DC參數(shù)：

1. I_I(HOLD) : 總線保持輸入最小驅(qū)動(dòng)電流

2. I_I(ODH) : 總線保持輸入過(guò)驅(qū)高電流

3. I_I(ODL) : 總線保持輸入過(guò)驅(qū)低電流

指定總線保持驅(qū)動(dòng)器可以源/吸收的最小電流量。總線保持最小驅(qū)動(dòng)電流 (I_IHOLD) 依賴于 V_CC，并在數(shù)據(jù)表的DC電氣表中保證。其目的是在動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器超時(shí)后保持有效狀態(tài)，但在建議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)可以被覆蓋。

指定在方向變化時(shí)，外部設(shè)備所需的最小電流量以過(guò)驅(qū)總線保持。總線保持過(guò)驅(qū) (I_IODH, I_IODL) 依賴于 V_CC，并在數(shù)據(jù)表的DC電氣表中保證。

5. 自動(dòng)導(dǎo)向混合驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

自動(dòng)方向總線保持架構(gòu)非常適合推/拉驅(qū)動(dòng)器環(huán)境，不應(yīng)在使用上拉電阻的開(kāi)漏環(huán)境中使用。上拉電阻與總線保持電路沖突，導(dǎo)致不必要的行為。為了在使用上拉電阻的開(kāi)漏環(huán)境中提供自動(dòng)方向特性，需要如圖7所示的混合驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)。

圖7. 混合驅(qū)動(dòng)器框圖，單通道

I2C 是開(kāi)漏電平轉(zhuǎn)換的非常常見(jiàn)應(yīng)用，并且是混合驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)設(shè)計(jì)的推動(dòng)力。FXMA2102 I²C / SMBUS翻譯器 (圖8) 使用圖7的混合驅(qū)動(dòng)器。

圖8. FXMA2102 I2C/SMBUS 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用

6. 混合架構(gòu)工作原理及I2C應(yīng)用

FXMA2102專為高性能電平轉(zhuǎn)換以及I2C應(yīng)用中的緩沖/中繼而設(shè)計(jì)。圖7顯示，每個(gè)雙向通道包含兩個(gè)串聯(lián)的N型通路開(kāi)關(guān)和兩個(gè)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器。這種混合架構(gòu)在I2C應(yīng)用中極為有益，尤其是在需要自動(dòng)方向切換的場(chǎng)景中。例如，在以下三種I2C協(xié)議事件中，總線方向需要在主機(jī)和從機(jī)之間切換，且不會(huì)出現(xiàn)邊沿：

• 時(shí)鐘拉伸（Clock Stretching）

• 從機(jī)的ACK位（第9位 = 0）跟隨主機(jī)的寫(xiě)位（第8位 = 0）

• 時(shí)鐘同步和多主仲裁（Clock Synchronization and Multi-Master Arbitration）

如果在主機(jī)和從機(jī)之間存在一個(gè)I²C轉(zhuǎn)換器，那么在A和B端口均為低電平時(shí)，I²C轉(zhuǎn)換器必須改變方向。N型通路開(kāi)關(guān)可以非常高效地完成這一任務(wù)，因?yàn)楫?dāng)A和B端口均為低電平時(shí)，N型通路開(kāi)關(guān)在兩個(gè)端口（A和B）之間充當(dāng)?shù)碗娮瓒搪贰Ｓ捎贗2C采用開(kāi)漏拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，I²C主機(jī)和從機(jī)并非推挽驅(qū)動(dòng)器。邏輯低電平是“拉低”（I_sink），而邏輯高電平是“釋放”（3態(tài)）。例如，當(dāng)主機(jī)釋放SCL（SCL始終來(lái)自主機(jī)）時(shí)，SCL的上升時(shí)間主要由RC時(shí)間常數(shù)決定，其中R = R_PU（上拉電阻），C = 總線電容。如果在此示例中將FXMA2102連接到主機(jī)，并且在B端口有一個(gè)從機(jī)，那么在任一端口的V_CC/2閾值達(dá)到之前，N型通路開(kāi)關(guān)會(huì)在兩個(gè)端口之間充當(dāng)?shù)碗娮瓒搪贰Ｔ赗C時(shí)間常數(shù)達(dá)到任一端口的V_CC/2閾值后，端口的邊沿檢測(cè)器會(huì)觸發(fā)兩個(gè)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器，分別驅(qū)動(dòng)其端口從低電平到高電平（LH）方向，加速上升沿。最終的上升時(shí)間類似于圖9中的示波器截圖。實(shí)際上，在上升時(shí)間中出現(xiàn)了兩個(gè)不同的斜率。第一個(gè)斜率（較慢）是總線的R_C時(shí)間常數(shù)。第二個(gè)斜率（快得多）是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器加速邊沿的結(jié)果。如果轉(zhuǎn)換器的A和B端口均為高電平，則由于兩個(gè)N型通路開(kāi)關(guān)均關(guān)閉，A和B端口之間存在高阻抗路徑。如果主機(jī)或從機(jī)設(shè)備決定將SCL或SDA拉低，該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)器會(huì)將SCL或SDA拉低（I_sink），直到邊沿達(dá)到A或B端口的V_CC/2閾值。當(dāng)任一A或B端口閾值達(dá)到時(shí)，端口的邊沿檢測(cè)器會(huì)觸發(fā)兩個(gè)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)器，分別驅(qū)動(dòng)其端口從高電平到低電平（HL）方向，加速下降沿。自動(dòng)方向混合驅(qū)動(dòng)架構(gòu)旨在驅(qū)動(dòng)最小400 pF的負(fù)載。400 pF是I2C段的最大電容。圖9中的FXMA2102示波器截圖顯示，在600 pF的集中負(fù)載和2.2 kΩ的外部上拉電阻下，（30% - 70%）的上升時(shí)間為112 ns。根據(jù)I2C規(guī)范，快速模式（400 kHz）下的最大上升時(shí)間為300 ns，因此FXMA2102是I²C應(yīng)用的有力選擇。

圖9. 混合驅(qū)動(dòng)器示波器截圖（600 pF || 2.2 kΩ）

7. 混合架構(gòu)和推挽

雖然總線保持自動(dòng)方向架構(gòu)不能用于開(kāi)漏環(huán)境，但混合驅(qū)動(dòng)架構(gòu)可以用于開(kāi)漏環(huán)境以及推挽環(huán)境，只要在A側(cè)和B側(cè)IO上存在上拉電阻。

本說(shuō)明討論了三種不同的雙向電平轉(zhuǎn)換架構(gòu)：

• 帶方向引腳的雙向

• 帶總線保持的自動(dòng)方向

• 帶混合驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)方向

在討論的三種雙向電平轉(zhuǎn)換架構(gòu)中，開(kāi)漏環(huán)境中的自動(dòng)方向混合是最慢的。這是由于在邊緣速率加速器觸發(fā)之前，固有的帶寬限制，LOW到HIGH轉(zhuǎn)換的RC時(shí)間常數(shù)。考慮到推挽環(huán)境，所有三種雙向架構(gòu)表現(xiàn)出相似的帶寬，主要受各自V CC轉(zhuǎn)換組合的限制。大多數(shù)翻譯器數(shù)據(jù)表發(fā)布最大數(shù)據(jù)速率與V CC組合。最壞情況下的數(shù)據(jù)速率通常是在V CCA/B處于其最低額定值時(shí)。

在某些情況下，應(yīng)用可能需要非常快的方向變化延遲。兩種自動(dòng)方向架構(gòu)；總線保持和混合，提供較慢的“方向變化時(shí)間”（典型為40 ns）與需要方向引腳的雙向架構(gòu)（典型為4 ns）相比。如果快速方向時(shí)間至關(guān)重要，并且系統(tǒng)可以提供方向引腳控制，那么帶方向引腳的雙向架構(gòu)可能是比自動(dòng)方向架構(gòu)更好的選擇。例如，圖10中的應(yīng)用說(shuō)明了一個(gè)專有的芯片到芯片接口，其中時(shí)鐘需要在60 MHz下從1.2 V轉(zhuǎn)換到3.3 V的單向電平轉(zhuǎn)換。同時(shí)，數(shù)據(jù)信號(hào)需要在60 Mbps（30 MHz）下雙向從1.2 V轉(zhuǎn)換到3.3 V。方向變化需要在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)或16.7 ns內(nèi)發(fā)生。對(duì)于該應(yīng)用，F(xiàn)XL2TD245是比總線保持型自動(dòng)方向翻譯器（如FXLA102）更好的選擇，因?yàn)镕XL2TD245的方向變化速度更快。

圖10. 專有芯片到芯片60 MHz三線接口

圖11中顯示的仿真（最壞情況慢過(guò)程和?40 °C溫度）摘錄，假設(shè)負(fù)載為5 pF||10 kΩ，揭示FXL2TD245在一個(gè)16.7 ns時(shí)鐘周期內(nèi)成功改變方向。

圖11. 專有芯片到芯片接口方向變化時(shí)序

8. SIM卡應(yīng)用

圖12是集成LDO的FXL4555 SIM卡控制器/翻譯器的框圖。VSEL引腳控制卡口電壓為1.8 V或3 V，具體取決于插入的SIM卡。根據(jù)ISO7816-3 SIM卡規(guī)范，I/O通道是雙向開(kāi)漏，而CLK和RST通道是單向推/拉。因此，F(xiàn)XLP4555設(shè)計(jì)有兩個(gè)單向翻譯器用于CLK和RST，以及一個(gè)混合自動(dòng)方向翻譯器（帶內(nèi)部上拉電阻）用于I/O通道。

圖12. FXLP4555 SIM卡控制器/翻譯器

自動(dòng)方向總線保持架構(gòu)適用于推挽應(yīng)用，例如SPI。自動(dòng)方向總線保持架構(gòu)不推薦用于使用上拉電阻的開(kāi)漏環(huán)境。

9. SPI 應(yīng)用

圖13是FXLA104 SPI翻譯器的框圖。SPI是一種4位、非開(kāi)漏的芯片對(duì)芯片通信協(xié)議，通常運(yùn)行在5 MHz – 20 MHz。與I2C和SMBUS相比，SPI速度更快，但使用更多引腳，并且每個(gè)從設(shè)備需要專用的從設(shè)備選擇（SS）引腳。I2C和SMBUS運(yùn)行速度較慢（400 kHz），但只使用兩個(gè)引腳，并且可以級(jí)聯(lián)多個(gè)從設(shè)備以及多個(gè)主設(shè)備。根據(jù)V_CC組合，F(xiàn)XLA104將SPI應(yīng)用的電平從1.1 V – 3.6 V的20 MHz提升到70 MHz。

圖13. FXLA104 SPI翻譯器

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