雖然不同電子項目的最終優(yōu)化目標(biāo)不盡相同，但小型化和高能效通常都是首要考慮事項。電子行業(yè)一直在尋找縮減器件和組件尺寸并降低功耗的方法。提高集成度有助于減少組件的重量和體積，同時有機會將更多功能整合到一定區(qū)域之中。降低功耗不但能提高便攜式產(chǎn)品的實用性，還能滿足人們對更可持續(xù)電子設(shè)備的需求。
在嵌入式電子產(chǎn)品中，有時會通過降低工作電壓來提升器件的能效，同時進(jìn)一步縮減尺寸。但降低一些器件的工作電壓，會導(dǎo)致電子電路中出現(xiàn)更多不同的電壓電平，這給接口設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。
本文將圍繞現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的邏輯電平轉(zhuǎn)換器（也稱電壓轉(zhuǎn)換器或電平轉(zhuǎn)換器）展開討論，介紹安森美(onsemi)提供的此類產(chǎn)品將如何有效促進(jìn)工作電壓不同的器件實現(xiàn)互聯(lián)互通、克服相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計障礙。
電平轉(zhuǎn)換器需求日益增長
集成電路(IC)正朝更低電壓方向發(fā)展，市場對邏輯電平轉(zhuǎn)換器的需求也日益增長。在數(shù)字電子器件中，功耗與電源電壓的平方成正比，其公式為：P = CV2f，其中P是功耗、C是電容、V是電壓、f是頻率。因此，工作電壓的降低會導(dǎo)致動態(tài)功耗顯著降低。
這種特性也推動了器件的小型化和降低工作電壓的發(fā)展趨勢。在過去的幾十年里，IC的制程已經(jīng)從40 nm 發(fā)展到10 nm 和7 nm，實現(xiàn)了更低的工作電壓和I/O電壓。降低電壓有助于減少功耗，因為晶體管從低電平0 V 切換到高電平1.2 V 或1.8 V時所需的能量，比從0 V 切換到5V時所需的能量要少。
此外，工作電壓較低時，可以使用更小的晶體管，因此這還有助于提升半導(dǎo)體器件的集成度。相應(yīng)地，芯片尺寸也可以減小，或者可以容納更多晶體管，從而提高性能。器件工作電壓越低，所產(chǎn)生的熱量也越少，所需的散熱器就越小，并且可以更靠近其他發(fā)熱電子器件，從而提高系統(tǒng)集成度。
應(yīng)對更寬的工作電壓范圍
追求更低電壓的過程并非一帆風(fēng)順，其中存在著一些必須克服的障礙。過去，早期CMOS技術(shù)和傳統(tǒng)晶體管-晶體管邏輯(TTL)的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓大多為5 V，這使得嵌入式電子產(chǎn)品中的器件接口相對簡單。但是，當(dāng)今的電子電路遠(yuǎn)比過去復(fù)雜，工作電壓多種多樣，而許多傳統(tǒng)甚至新型數(shù)字外設(shè)仍然以5V電壓運行。
同樣，許多模擬產(chǎn)品需要更高的工作電壓來滿足電壓裕量、信號完整性和功率處理需求。像數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)等混合信號器件，工作電壓更高時，性能更優(yōu)，比如輸出范圍更大，有利于改善動態(tài)范圍和信噪比(SNR)，從而更容易準(zhǔn)確再現(xiàn)模擬信號。
對于工業(yè)自動化、AI計算部署和汽車功能如先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的復(fù)雜電子電路，用于升高或降低器件之間的信號電平的電平轉(zhuǎn)換器必不可少。集成電平轉(zhuǎn)換器可確保無縫通信并支持靈活選擇器件，讓設(shè)計人員能夠通過選擇能效更高且更實惠的產(chǎn)品來優(yōu)化各項功能。
超越傳統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換器的限制
為完成嵌入式電子器件之間的邏輯轉(zhuǎn)換，通常需使用由雙極結(jié)型晶體管(BJT)或場效應(yīng)晶體管(FET)組成的分立電路，或者CMOS IC。然而，這些解決方案難以克服現(xiàn)代電子電路中常見的幾個技術(shù)障礙。
更低的電壓，更高的靈敏度
工作電壓降低時，SNR會受到不利影響，導(dǎo)致系統(tǒng)對噪聲電壓幅度的承受能力降低。兩個器件之間的電壓“步進(jìn)”幅度加劇了這一挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)從1.2 V 或更低電壓升高至5 V 時，噪聲放大會增加信號質(zhì)量下降的風(fēng)險。
不斷提高的數(shù)據(jù)速率和混合電壓環(huán)境
在數(shù)據(jù)中心和汽車等要求嚴(yán)格的應(yīng)用中，邏輯電平轉(zhuǎn)換的精度必須與數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣认嗥ヅ�。以自動駕駛汽車為例，感知傳感器等低壓器件與控制電子設(shè)備之間需進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換，任何延遲或信息丟失都可能影響車輛安全。許多領(lǐng)域在持續(xù)擴展功能，包括集成AI和 機器學(xué)習(xí)(ML)模型，這進(jìn)一步加劇了市場對電平轉(zhuǎn)換的需求。
新的電平轉(zhuǎn)換器必須支持高速協(xié)議，以實現(xiàn)跨各種電壓電平的快速雙向通信，同時避免延遲或損害信號完整性。例如，普遍應(yīng)用于無數(shù)現(xiàn)代嵌入式器件的SPI，其數(shù)據(jù)速率高達(dá)100 Mbps。這比舊協(xié)議I2C要快得多，后者的峰值速度僅為幾Mbps。
為了確保SPI等高速接口保持同步，許多轉(zhuǎn)換器會使用反饋時鐘，但這會增加CPU/GPIO和功耗。在更復(fù)雜的汽車和工業(yè)設(shè)計中，為了支持更快速、更智能的控制系統(tǒng)，整合千兆以太網(wǎng)的需求也日漸迫切。實現(xiàn)1 Gbps 的速度通常需要RGMII接口，該接口使用125 MHz 時鐘和雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)信號，以250 Mbps 的速度同時傳輸4位數(shù)據(jù)。然而，為了處理快速信號轉(zhuǎn)換并支持以太網(wǎng)PHY和MAC之間不同的電壓電平，高性能邏輯電平轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。
管理功耗和熱效率
隨著工程師不斷提升集成度、縮小設(shè)計體積，更多的功能被封裝到更小的空間內(nèi)，導(dǎo)致散熱和功耗成為關(guān)鍵考慮因素。
汽車和工業(yè)應(yīng)用環(huán)境通常比較惡劣，相關(guān)器件必須能夠在高溫下正常工作，而傳統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換器往往無法勝任。同樣，支持更高數(shù)據(jù)速率的器件，尤其是有關(guān)雙向操作的器件，需經(jīng)歷更加嚴(yán)格的能效測試。這是因為在高數(shù)據(jù)速率環(huán)境中，每次轉(zhuǎn)換的能量損耗會迅速累積起來。針對這兩個方面，如果邏輯轉(zhuǎn)換的電壓差很大，熱和功耗問題就會更加嚴(yán)重。
面向未來電平轉(zhuǎn)換器的全新平臺
現(xiàn)代電子電路的技術(shù)難題層出不窮，我們需使用性能更強的電平轉(zhuǎn)換器，確保在極端惡劣的環(huán)境，器件可以正常工作，且系統(tǒng)的可靠性不受影響。
安森美的新款電平轉(zhuǎn)換器T30LxXT4T245和T30LxXT4T244采用了創(chuàng)新型65 nm 雙極性-CMOS-DMOS (BCD65) 半導(dǎo)體工藝，這是該公司基于Treo平臺打造的首個產(chǎn)品系列。Treo平臺旨在將安森美先進(jìn)的感知、電源、數(shù)字和模擬電子技術(shù)整合到單個IC中，從而改進(jìn)可靠性、性能表現(xiàn)和集成度，為智能電源和感知方案的高級模擬和混合信號平臺樹立新的標(biāo)桿。
安森美的T30LxXT3V245 / T30LxXT3V244
對于易受噪聲影響的應(yīng)用，例如存在極低電壓器件的應(yīng)用，或輸入和輸出邏輯之間存在較大壓差的應(yīng)用，T30LxXT3V245相較于傳統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換器有許多優(yōu)勢。
T30LxXT3V245支持高達(dá)400 Mbps 的數(shù)據(jù)速率，能夠流暢地處理SPI等高速協(xié)議。此外還能夠迅速而準(zhǔn)確地完成電平轉(zhuǎn)換，確保信號完整性，而無需反饋時鐘，這樣既簡化了設(shè)計，又降低了功耗（圖1）。
得益于高速功能，T30LxXT3V245非常適合環(huán)境苛刻、依賴快速可靠的操作來自主執(zhí)行任務(wù)的應(yīng)用，例如工業(yè)自動化和汽車ADAS。它能有效支持高速千兆網(wǎng)絡(luò)，確保減少延遲。
安森美的BCD65工藝作為Treo平臺的基礎(chǔ)，其另一項關(guān)鍵優(yōu)勢是工作電壓較低時，仍具有出色的性能。雖然許多5 V 器件也能在1.8 V 電壓下工作，但速度往往會顯著下降。同樣，雖然3.3 V 器件在1.8 V 下性能尚可，但當(dāng)電壓接近1.2 V 時，效率就會大打折扣。安森美的Treo平臺優(yōu)于其他同樣采用3.3 V 工作電壓的方案，在1.8 V 和1.2 V 時開關(guān)速度明顯更快。這使T30LxXT3V245能夠提供更優(yōu)性能，即使在低電壓下也能支持較高的數(shù)據(jù)速率。
Treo的65 nm BCD 技術(shù)為T30LxXT3V245實現(xiàn)了寬工作溫度范圍（-40℃至125℃），這不僅確保了系統(tǒng)能夠在高溫環(huán)境中長期可靠地運行，還有助于縮小散熱器的體積。Treo平臺優(yōu)先考慮高效的功率處理，同時通過創(chuàng)新布局來有效控制阻性和容性元件，減輕寄生效應(yīng)。其先進(jìn)的架構(gòu)結(jié)合了經(jīng)強化的隔離技術(shù)，可降低EMI并提高耐用性，確保T30LxXT3V245能夠精準(zhǔn)可靠地運行。
在現(xiàn)代電子設(shè)計中，T30LxXT3V245可優(yōu)化組件的工作電壓范圍，從而降低功耗并提升系統(tǒng)整體性能和壽命。
總結(jié)
T30LxXT3V245旨在滿足當(dāng)前市場對邏輯電平轉(zhuǎn)換技術(shù)的新需求，它具有高速性能、穩(wěn)健的噪聲管理特性，并能在各種電壓下高效可靠地工作。
該產(chǎn)品依托Treo平臺的優(yōu)勢，確保在各種電壓差和具挑戰(zhàn)性的熱環(huán)境下實現(xiàn)可靠的邏輯電平轉(zhuǎn)換。安森美的Treo平臺和T30LxXT3V245滿足了市場對高效率、高性能電平轉(zhuǎn)換器的需求，為汽車、消費電子、醫(yī)療和工業(yè)等不同行業(yè)的現(xiàn)代低壓高速電子系統(tǒng)帶來了至關(guān)重要的解決方案。
