应用于智能手机的高性能、小封装逻辑电平转换方案
2009-09-11 10:21:37
来源：《半导体器件应用》2009年9月刊
1 前言
近一两年来，在苹果公司iPhone手机的带动下，智能手机市场迅速扩大。智能手机等便携产品的一个重要特点是功能越来越多，从而支持更广泛的消费需求。但智能手机等便携产品内部用于支持不同功能的集成电路(IC)或模块的工作电压往往不同，如基带处理器和应用处理器电压一般在1.5V至1.8V之间，而现有许多外设工作电压一般为2.6V至3.3V，如USIM卡、Wi-Fi模块、调频(FM)调谐器模块工作电压为2.8V，而相机模块为2.7V。
因此，智能手机等便携产品中的不同IC与外设模块之间存在输入/输出电压失配问题，要使这些器件与模块之间互相通信，需要高效的逻辑电压电平转换。所谓的逻辑电平转换器即连接不同工作电压的IC与模块或印制电路板(PCB)，提供系统集成解决方案。
2 传统逻辑电平转换方法及其优缺点
由于晶体管-晶体管逻辑(TTL)和互补金属氧化物半导体(CMOS)是逻辑电路中的标准电平，在传统逻辑电平转换方法中，TTL-CMOS输入转换很常见。这种转换方法简单，成本低，主要用于低电平至高电平转换，也能用于转换高电平至低电平。这种转换方法存在一些缺点。其它传统逻辑电平转换方法还有过压容限(OVT)电压转换、漏极开路(OD)/有源下拉转换和分立I2C转换等，各有其优缺点，参见表1。
3 双电源逻辑电平转换及应用
逻辑电平转换中会消耗功率。例如，在低至高电平转换中，为了输出高逻辑电平，输入电压(Vin)低于VCC，电源电流变化(ΔICC)始终较大，因此功耗也较大。为了解决高功耗的问题，可以采用双电源电压(VCCA及VCCB)逻辑电平转换器，在逻辑电源电压(VL)等于Vin时，ΔICC为0，从而降低功耗。
常见双电源逻辑电平转换包括单向转换、带方向控制引脚的双向转换、自动感测双向转换（推挽型输出）及用于漏极开路应用（如I2C）的自动感测双向转换等，结构示意图如图2所示。
在这些双电源逻辑电平转换方法中，单向逻辑电平转换的原理就是在输出启用(Output Enable， OE)为低电平时，提供A点至B点转换；而在输出启用为高电平时，A、B之间呈现高阻态(Hi-Z)，通常当作电阻无穷大来处理，相当于没有接通。常见的双电源单向逻辑电平转换器有如安森美半导体的NLSV1T34AMX1TCG、NLSV2T244MUTAG、NLSV4T3234FCT1G、NLSV8T244MUTAG、NLSV22T244MUTAG等。这些双电源单向逻辑电平转换器的应用包括通用输入输出(GPIO)端口、串行外设接口(SPI)端口和通用串行总线(USB)端口等。
带方向控制引脚的双向逻辑电平转换器的工作原理是：OE引脚和方向控制(DIRection，T/R)引脚均为低电平时，提供B点至A点转换；OE引脚为低电平、T/R引脚为高电平时，提供A点至B点转换；而在OE引脚为高电平时，A点至B点方向和B点至A点方向均处于高阻态，相当于没有接通。安森美半导体即将推出带方向控制引脚的双向逻辑电平转换器。这类转换器的常见应用是以字节(byte)访问的存储器及I/O器件。
自动感测双向逻辑电平转换器（推挽型输出）的工作原理是：启用(EN)引脚为低电平时，转换器处于待机状态；EN引脚为高电平、I/O电平不变时，转换器处于稳态；EN引脚为高电平、I/O电平变化时，转换器检测到变化。并产生脉冲，I/O藉P沟道MOSFET(PMOS)上拉至更快。典型的自动感测方向双向逻辑电平转换器（推挽型输出）有如安森美半导体的NLSX3012MUTAG、NLSX3013FCT1G、NLSX3013BFCT1G、NLSX4014MUTAG和NLSX3018MUTAG等。这类转换器的常见应用包括通用异步收发器(UART)、USB端口、4线SPI端口和3线SPI端口等。
用于漏极开路应用（如I2C）的自动感测双向逻辑电平转换器同样包含3个状态：EN引脚为高电平、NMOS导通时，处于工作状态，输入端I/O电平下拉至地，即输入低电平；EN引脚为高电平、NMOS处于高阻态时，处于工作状态，输出端I/O电平上拉至VCC，即输入高电平；EN引脚为低电平时，转换器处于待机状态。典型的用于漏极开路应用(如I2C)的自动感测双向逻辑电平转换器有如安森美半导体的NLSX4373MUTAG、NLSX4348FCT1G和NSLX4378BFCT1G等。这类转换器的常见应用包括I2C总线、用户识别模块(SIM)卡、单线(1-Wire)总线、显示模块、安全数字输入输出(SDIO)卡等。
上述几种双电源逻辑电平转换器中，不带方向控制引脚的自动感测转换器和带方向控制引脚的转换器各有其优劣势。自动感测转换器的优势主要体现在将微控制器的I/O线路减至最少，是用于异步通信的简单方案；劣势则是成本高于及带宽低于带方向控制引脚的转换器。带方向控制引脚的转换器优势是作为大宗商品元件，成本低，是用于存储器映射I/O的简单方案；劣势则是微控制器引脚数量多。
而在不带方向控制引脚的自动感测转换器中，也有集成方案（如NLSX3373）与分立方案（如NTZD3154N）之区别。集成方案NLSX3373为单颗IC，估计占用的印制电路板(PCB)空间仅为2.6mm2；分立方案NTZD3154N采用双MOSFET及4颗01005封装（即0402）的电阻，估计占用的PCB总空间为3.3mm2。集成方案提供低功率待机模式，而分立方案则不提供高阻抗/待机模式。这两种不同方案的低压工作特性、带宽及电路特性也各不相同。
4 安森美半导体双电源电平转换器规范及要求
安森美半导体的双电源逻辑电平转换器与竞争器件相比，体现出多方面的优势。这些优势包括：更宽的电压转换范围、更低的静态功率消耗和/或支持更高的数据率。如安森美半导体带推挽输出的自动感测双向转换器NLSX3013的双电源转换范围分别为1.3V至4.5V和0.9V至VCC - 0.4V，性能接近的竞争器件则分别为1.65V至3.6V和1.2V至VCC - 0.4V；两者支持的数据率分别为140 Mbps和100 Mbps。更具体的比较参见表2。
安森美半导体带推挽输出的自动感测双向转换器，如NLSX4014，有其输入驱动电流要求。假定I/O电源电压VL(A点)=0V，并要正转换至2.8V（即由低电平转换为高电平），最初A点=B点=0V，IIN1流入CMOS器件，因此，IIN≈IIN2，峰值电流IIN≈2.8V/1kΩ = 2.8mA。这种转换器设计用于驱动CMOS输入，不应使用阻值低于50kΩ的阻性上拉或下拉负载 （见图3）。此外，在大电容负载中，不应当使用推挽型自动感测双向转换器，否则输出失真会较大，而应当使用开关(switch)类型的电平转换器。
此外，安森美半导体的这些双电源电平转换器采用小巧强固的封装，如ULLGA6、UDFN6、UDFN8、UQFN12、UDFN20、uBump11、uBump12和uBump20等，其中UDFN6封装的尺寸仅为1.2 mm×1.0 mm，uBump12封装尺寸仅为1.54 mm×2.02 mm。这些小巧强固的封装非常适合用于智能手机等便携应用。
5 安森美半导体完备的逻辑电平转换器系列
安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商，推出完备系列的极佳逻辑电平转换方案，如双电源转换器、带OVT的MiniGateTM系列开关、MiniGateTM总线开关等。
其中，双电源电压逻辑电平转换器支持宽范围的高至低和低至高电平转换，并支持单向及双向信号流，功耗低，采用超小型封装。带OVT的MiniGateTM用于满足宽范围的高至低电平转换及单向信号流应用需求，是标准元件，采用标准及超小封装，成本低。另外，安森美半导体的MiniGateTM总线开关即将推出，用于满足高速（带宽高于500MHz）及高至低电平转换应用需求，支持双向信号流及单向转换，采用标准封装及超小封装，成本低。这些器件用于满足客户的不同需求。图4显示了安森美半导体不同逻辑电平转换方案在手机中的应用。
6 总结
安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商，为智能手机等便携应用推出完备系列的逻辑电平
近一两年来，在苹果公司iPhone手机的带动下，智能手机市场迅速扩大。智能手机等便携产品的一个重要特点是功能越来越多，从而支持更广泛的消费需求。但智能手机等便携产品内部用于支持不同功能的集成电路(IC)或模块的工作电压往往不同，如基带处理器和应用处理器电压一般在1.5V至1.8V之间，而现有许多外设工作电压一般为2.6V至3.3V，如USIM卡、Wi-Fi模块、调频(FM)调谐器模块工作电压为2.8V，而相机模块为2.7V。
因此，智能手机等便携产品中的不同IC与外设模块之间存在输入/输出电压失配问题，要使这些器件与模块之间互相通信，需要高效的逻辑电压电平转换。所谓的逻辑电平转换器即连接不同工作电压的IC与模块或印制电路板(PCB)，提供系统集成解决方案。
2 传统逻辑电平转换方法及其优缺点
由于晶体管-晶体管逻辑(TTL)和互补金属氧化物半导体(CMOS)是逻辑电路中的标准电平，在传统逻辑电平转换方法中，TTL-CMOS输入转换很常见。这种转换方法简单，成本低，主要用于低电平至高电平转换，也能用于转换高电平至低电平。这种转换方法存在一些缺点。其它传统逻辑电平转换方法还有过压容限(OVT)电压转换、漏极开路(OD)/有源下拉转换和分立I2C转换等，各有其优缺点，参见表1。
3 双电源逻辑电平转换及应用
逻辑电平转换中会消耗功率。例如，在低至高电平转换中，为了输出高逻辑电平，输入电压(Vin)低于VCC，电源电流变化(ΔICC)始终较大，因此功耗也较大。为了解决高功耗的问题，可以采用双电源电压(VCCA及VCCB)逻辑电平转换器，在逻辑电源电压(VL)等于Vin时，ΔICC为0，从而降低功耗。
常见双电源逻辑电平转换包括单向转换、带方向控制引脚的双向转换、自动感测双向转换（推挽型输出）及用于漏极开路应用（如I2C）的自动感测双向转换等，结构示意图如图2所示。
在这些双电源逻辑电平转换方法中，单向逻辑电平转换的原理就是在输出启用(Output Enable， OE)为低电平时，提供A点至B点转换；而在输出启用为高电平时，A、B之间呈现高阻态(Hi-Z)，通常当作电阻无穷大来处理，相当于没有接通。常见的双电源单向逻辑电平转换器有如安森美半导体的NLSV1T34AMX1TCG、NLSV2T244MUTAG、NLSV4T3234FCT1G、NLSV8T244MUTAG、NLSV22T244MUTAG等。这些双电源单向逻辑电平转换器的应用包括通用输入输出(GPIO)端口、串行外设接口(SPI)端口和通用串行总线(USB)端口等。
带方向控制引脚的双向逻辑电平转换器的工作原理是：OE引脚和方向控制(DIRection，T/R)引脚均为低电平时，提供B点至A点转换；OE引脚为低电平、T/R引脚为高电平时，提供A点至B点转换；而在OE引脚为高电平时，A点至B点方向和B点至A点方向均处于高阻态，相当于没有接通。安森美半导体即将推出带方向控制引脚的双向逻辑电平转换器。这类转换器的常见应用是以字节(byte)访问的存储器及I/O器件。
自动感测双向逻辑电平转换器（推挽型输出）的工作原理是：启用(EN)引脚为低电平时，转换器处于待机状态；EN引脚为高电平、I/O电平不变时，转换器处于稳态；EN引脚为高电平、I/O电平变化时，转换器检测到变化。并产生脉冲，I/O藉P沟道MOSFET(PMOS)上拉至更快。典型的自动感测方向双向逻辑电平转换器（推挽型输出）有如安森美半导体的NLSX3012MUTAG、NLSX3013FCT1G、NLSX3013BFCT1G、NLSX4014MUTAG和NLSX3018MUTAG等。这类转换器的常见应用包括通用异步收发器(UART)、USB端口、4线SPI端口和3线SPI端口等。
用于漏极开路应用（如I2C）的自动感测双向逻辑电平转换器同样包含3个状态：EN引脚为高电平、NMOS导通时，处于工作状态，输入端I/O电平下拉至地，即输入低电平；EN引脚为高电平、NMOS处于高阻态时，处于工作状态，输出端I/O电平上拉至VCC，即输入高电平；EN引脚为低电平时，转换器处于待机状态。典型的用于漏极开路应用(如I2C)的自动感测双向逻辑电平转换器有如安森美半导体的NLSX4373MUTAG、NLSX4348FCT1G和NSLX4378BFCT1G等。这类转换器的常见应用包括I2C总线、用户识别模块(SIM)卡、单线(1-Wire)总线、显示模块、安全数字输入输出(SDIO)卡等。
上述几种双电源逻辑电平转换器中，不带方向控制引脚的自动感测转换器和带方向控制引脚的转换器各有其优劣势。自动感测转换器的优势主要体现在将微控制器的I/O线路减至最少，是用于异步通信的简单方案；劣势则是成本高于及带宽低于带方向控制引脚的转换器。带方向控制引脚的转换器优势是作为大宗商品元件，成本低，是用于存储器映射I/O的简单方案；劣势则是微控制器引脚数量多。
而在不带方向控制引脚的自动感测转换器中，也有集成方案（如NLSX3373）与分立方案（如NTZD3154N）之区别。集成方案NLSX3373为单颗IC，估计占用的印制电路板(PCB)空间仅为2.6mm2；分立方案NTZD3154N采用双MOSFET及4颗01005封装（即0402）的电阻，估计占用的PCB总空间为3.3mm2。集成方案提供低功率待机模式，而分立方案则不提供高阻抗/待机模式。这两种不同方案的低压工作特性、带宽及电路特性也各不相同。
4 安森美半导体双电源电平转换器规范及要求
安森美半导体的双电源逻辑电平转换器与竞争器件相比，体现出多方面的优势。这些优势包括：更宽的电压转换范围、更低的静态功率消耗和/或支持更高的数据率。如安森美半导体带推挽输出的自动感测双向转换器NLSX3013的双电源转换范围分别为1.3V至4.5V和0.9V至VCC - 0.4V，性能接近的竞争器件则分别为1.65V至3.6V和1.2V至VCC - 0.4V；两者支持的数据率分别为140 Mbps和100 Mbps。更具体的比较参见表2。
安森美半导体带推挽输出的自动感测双向转换器，如NLSX4014，有其输入驱动电流要求。假定I/O电源电压VL(A点)=0V，并要正转换至2.8V（即由低电平转换为高电平），最初A点=B点=0V，IIN1流入CMOS器件，因此，IIN≈IIN2，峰值电流IIN≈2.8V/1kΩ = 2.8mA。这种转换器设计用于驱动CMOS输入，不应使用阻值低于50kΩ的阻性上拉或下拉负载 （见图3）。此外，在大电容负载中，不应当使用推挽型自动感测双向转换器，否则输出失真会较大，而应当使用开关(switch)类型的电平转换器。
此外，安森美半导体的这些双电源电平转换器采用小巧强固的封装，如ULLGA6、UDFN6、UDFN8、UQFN12、UDFN20、uBump11、uBump12和uBump20等，其中UDFN6封装的尺寸仅为1.2 mm×1.0 mm，uBump12封装尺寸仅为1.54 mm×2.02 mm。这些小巧强固的封装非常适合用于智能手机等便携应用。
5 安森美半导体完备的逻辑电平转换器系列
安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商，推出完备系列的极佳逻辑电平转换方案，如双电源转换器、带OVT的MiniGateTM系列开关、MiniGateTM总线开关等。
其中，双电源电压逻辑电平转换器支持宽范围的高至低和低至高电平转换，并支持单向及双向信号流，功耗低，采用超小型封装。带OVT的MiniGateTM用于满足宽范围的高至低电平转换及单向信号流应用需求，是标准元件，采用标准及超小封装，成本低。另外，安森美半导体的MiniGateTM总线开关即将推出，用于满足高速（带宽高于500MHz）及高至低电平转换应用需求，支持双向信号流及单向转换，采用标准封装及超小封装，成本低。这些器件用于满足客户的不同需求。图4显示了安森美半导体不同逻辑电平转换方案在手机中的应用。
6 总结
安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商，为智能手机等便携应用推出完备系列的逻辑电平
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