一、什么是电平转换

电平转换是指在电子电路中，将一种电压逻辑电平转换为另一种电压逻辑电平的过程。
常见的场景是不同芯片或模块之间工作电压不一致（例如 5V 系统和 3.3V 系统），为了保证信号能够被正确识别，就需要进行电平转换。

举个例子：

• 一个 3.3V 微控制器（MCU） 给 5V 逻辑芯片 传输信号时，如果没有电平转换，5V 逻辑芯片可能无法正确识别 3.3V 的高电平。

• 相反，5V 芯片的信号直接输入到 3.3V 芯片时，可能会损坏 3.3V 芯片的输入端口。

因此，电平转换在多电压系统中是非常关键的接口电路。

二、电平转换的应用场景

1. 不同电压标准的接口通信

• 例如 I²C、UART、SPI、GPIO 在不同电压平台间通信时。

2. 微处理器与外设连接

• 3.3V 单片机与 5V 传感器、模块进行数据交互。

3. 存储器接口

• DDR、Flash 等存储芯片可能与主控芯片电压不同，需要电平匹配。

4. 高速信号与低功耗设计

• 在一些低功耗设计中，核心工作电压可能降低至 1.8V 或 1.2V，这时电平转换更加普遍。

三、电平转换的方式

电平转换可以通过不同电路结构实现，常见方法如下：

1. 电阻分压

• 用两个电阻组成分压电路，把高电压降为低电压。

• 优点：简单、成本低。

• 缺点：只适合单向、低速信号，不能满足双向通信。

2. 二极管或钳位电路

• 使用二极管（如肖特基二极管）和电阻，防止高电压超过低电压芯片的最大允许值。

• 常用于保护输入。

3. MOSFET 电平转换

• 最常见的 I²C 双向电平转换电路，利用 N 沟道 MOSFET 的体二极管和导通特性实现双向电平转换。

• 优点：支持双向，速度较快。

4. 专用电平转换芯片（Level Shifter IC）

• 如 TXB0108、TXS0108E、74LVC245 等。

• 优点：高速、可靠、支持多路。

• 常用于 SPI、UART、GPIO、并行总线的电平转换。

5. 开集电极/开漏输出 + 上拉电阻

• 在 I²C 等总线上广泛使用。不同电压系统通过上拉电阻接到各自电源，实现电平兼容。

四、电平转换的注意事项

1. 方向性

• 部分电平转换电路只能单向工作，通信总线要确认方向。

• 例如电阻分压方式只能从高电压到低电压。

2. 速度与带宽

• 电阻分压适合低速；

• MOSFET 电路适合中速；

• 专用芯片适合高速数据传输。

3. 功耗与电源电压

• 电平转换电路必须与目标系统电压匹配，否则会损坏芯片。

4. 信号完整性

• 高速电平转换时，要考虑传输延时、波形畸变、反射等问题。

五、总结

• 电平转换 = 不同电压系统间的桥梁。

• 常见方法有：电阻分压、二极管钳位、MOSFET 电平转换、专用芯片等。

• 应用广泛于 MCU 与外设通信、跨电压接口、存储器连接等场景。

• 设计时需要结合 电压方向、速率要求、信号类型（单向/双向） 来选择合适的电平转换方案。