2021-12-23? 隨著人們對降低功耗需求的不斷增加，現如今許多系統級設計朝著電源電壓不斷降低的趨勢發展。隨著處理器電壓電平的降低，外設仍然保持較高的電壓電平，因此會在系統中產生不連續的電壓電平。一種解決該問題的方案是使用電壓轉換器，將信號電壓電平升壓或降壓至另一個電平。它們非常適合用于簡單的 GPIO 應用以及常見的推挽接口，如 SPI、UART、JTA。本文將討論業界通用接口以及常見的終端設備應用，重點介紹江蘇潤石現有RS020x和RSxTx45系列產品在這些接口上的應用。
一、RS020x系列產品介紹
? RS020x系列器件屬于江蘇潤石的自動雙向電平轉換器系列。這一系列電壓轉換器提供1、2、4、8這四種通道數和兩個獨立的可配置電源軌，對輸入信號進行升壓或降壓轉換。根據設計，RS020x轉換器適用于A端1.2-3.6V向B端1.65-5.5V轉換，或者將B端電壓往A端電壓進行降壓轉換。這些器件最高支持100Mbps的傳輸數據速率（詳情請參考官網規格書）。VCC 隔離、IOFF 功能以及具有 5kV HBM（人體放電模型）的內置 ESD（靜電放電）保護功能。請查看表1，了解RS020x系列指標。
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二、RSxTx45系列產品介紹
? RSxTx45系列器件屬于江蘇潤石的方向控制型電平轉換器系列。這些電壓轉換器使用兩個獨立的可配置電源軌，對輸入信號進行升壓或降壓轉換。根據設計，RSxTx45系列轉換器適用于1.65V至5.5V的VCC 范圍。該系列同樣給使用者提供1、2、4、8四種不同通道數。這些器件支持高達200Mbps 的數據速率，同時提供 32mA 的驅動強度。VCC 隔離、IOFF 功能以及具有 3kV HBM（人體放電模型）內置 ESD（靜電放電）保護功能。
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三、常見接口和使用RS020x/RSxTx45系列實現
1、通用輸入輸出口（GPIO）
? 所有微處理器都具有用于與外設進行通信的通用輸入輸出 (GPIO) 端口。然而，內核和外設芯片可能在不同的電壓電平下工作，這就是系統需要電平轉換器的原因。如果所需的信號沒有轉入微處理器的工作電壓，就會影響通信的可靠性。RS1T45可作為I/O電路的一部分來實現，尤其是在單通道信號（例如控制輸入）中。RS1T45為電壓轉換 I/O 引腳提供了解決方案，例如以下引腳：
1）使能 ?2）重啟 ?3）時鐘緩沖 ?4）電源正常狀態 ?
5）錯誤標志 6）復位 ?7）存儲器錯誤 ?8）處理器過熱
例如圖1所示LED驅動
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圖1 使用RS1T45進行GPIO轉換實現LED驅動
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2、串行外設接口 (SPI)
? 串行外設接口 (SPI) 可提供處理器與外設之間的同步通信。SPI 是一種“控制器-外設”架構的四線制通信接口， 其中三條線路由控制器（通常是處理器）驅動，一條線路由外設（通常是外設）驅動。表 3 介紹了 SPI 信號接口。
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? 控制器驅動的第一條信號線路是CLK，這是時鐘信號。對于每個時鐘脈沖，控制器可向外設發送或從外設接收一個位。數據速率通常為10Mbps，但可根據需要在系統中進行擴展。SPI是全雙工協議，因此需要兩條數據線路：COPI和CIPO。COPI代表控制器輸出外設輸入，由控制器驅動向外設發送數據。CIPO 代表控制器輸入外設輸出，由外設驅動向控制器發送數據。最后一條線路是 CS，這是外設選擇信號。CS 線路由控制器驅動為低電平以選擇外設進行通信。一個系統中可能存在多個外設，這可確保與所需的外設進行通信，防止可能出現的系統級總線爭用。SPI 常用于：
1）控制信號 ?2）傳感器 ??3）存儲器 ??4）LCD 顯示屏 ??5）SD 卡
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? 當信號電平相同時，可使用SPI協議進行器件之間的連接。在電壓不匹配的情況下，建議使用電平轉換器。RS020x系列是轉換SPI中使用的所有四條線路的理想解決方案。RS0204的優點是可自動識別每個通道信號傳輸的個方向。因此該器件在SPI中非常有用，因為 SPI 中的一條線路與其他三條線路以相反的方向運行。此外，RS020x系列最高可支持 100Mbps，遠高于通常的SPI數據速率。SPI接口可容納在同一控制器下運行的多個獨立外設，因此電壓轉換器的位置是一項重要的設計考量因素。如果總線在另一個不同的電壓節點上有多個外設，建議在每個外設之前放置一個信號電平轉換器，而不是僅在控制器之后使用一個電平轉換器，如圖2 所示。
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圖2 使用RS0204器件的SPI接口
3、UART
? 通用異步接收器/發送器 (UART) 作為一種硬件器件，可支持雙信號或四信號異步全雙工通信接口。UART 負責將并行數據轉換為串行數據來進行發送，或反向轉換來進行接收。在雙信號 UART 接口中，兩個信號是主機發送(TX) 信號和主機接收 (RX) 信號。四信號接口包括 RX 信號和 TX 信號，還有用于握手的請求發送 (RTS) 和允許發送 (CTS) 信號。數據幀包含低電平起始位、數據位、可選奇偶校驗位和停止位。雖然 UART 會處理數據成幀、生成和接收數據，但不會定義器件之間的通用信令方法。UART 輸出是器件工作電壓下的信號，例如2.5V。這些信號可在工作電壓電平相同的兩個 UART 之間的短距離內使用。常規情況并非如此，因此通常會將來自 UART 的信號發送到線路驅動器，將信號轉換為RS-232或RS-485等標準。這些標準允許通過定義的信號特性進行更遠距離的通信。RS-232 使用–12V至12V的電壓范圍來改善線路上的噪聲容限。RS-485使用差分對來發送信號。RS-485和RS-232 標準都使用 UART 數據成幀，但需要一個收發器來反轉和轉換 UART 信號。UART 是異步的，因此沒有時鐘信號。相反，在 UART 中，兩個通信器件都必須配置為使用波特率，相當于每秒位數 (bps)。UART 通常被認為是速度在 300bps 到 115kbps 之間的低速接口。
? 若要在不同電壓電平下運行的兩個器件之間使用 UART，需要一個電壓轉換器。根據系統配置，可使用RS1T45或RS4T245電壓轉換器。
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圖3使用 RS1T45進行兩線制UART電壓轉換
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圖4使用 RS4T245進行四線制UART電壓轉換
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? 另一種常見的UART配置是運行兩個獨立的 UART。若要在此配置中實現轉換，可使用RS4T245。相關設置與四線制UART相同，兩個方向引腳都被拉到VCCA。在此配置中，兩條TX線路將在同一方向上運行，與兩條RX線路的方向相反，如圖5所示
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圖5 使用RS4T245進行兩個兩線制UART接口的電壓轉換
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4、JTAG聯合測試行動組
? 聯合測試行動組 (JTAG) 開發了同名的硬件接口 (JTAG)，用于對嵌入式設計進行調試、測試、驗證和編程。JTAG 在運行過程中通常使用五個線路：TCK、TMS、TDI、TDO 和 TRST，如表4所示。測試時鐘 (TCK) 提供數據輸入和輸出的時序。測試模式選擇 (TMS) 允許用戶選擇將要測試的內容。測試數據輸入 (TDI) 將要測試的數據輸入到被測器件，產生的結果在測試數據輸出 (TDO) 上輸出。最后一個信號是測試復位 (TEST)，作為一個可選信號，它能夠將 JTAG 復位到最后一次已知的良好狀態。
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? JTAG 與 SPI 類似，因此電壓轉換器的配置也類似。主要區別在于 JTAG 有四條線路在一個方向上運行，而另一條線路在相反方向上運行。要在低電壓FPGA或處理器與JTAG探頭之間啟用JTAG接口，建議使用RS0204，并采用如圖6所示的配置。或者，對于五線制JTAG接口，可使用一個用于TCK、TMS、TDI和TRST信號線路的RS4T245和一個用于在另一個方向上運行的 TDO 線路的RS1T45。
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圖6 使用RS0204進行JTAG電壓轉換
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四、總結
江蘇潤石適用于不同接口的電平轉換器
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五、江蘇潤石電平轉換器替代表
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