【中微爱芯】|【应用笔记】工业及消费电子中基于中微爱芯产品的电压/电流转换接口应用方案

在硬件工程师设计电路时，若出现前级信号的电压与驱动能力不能满足实际需求时，工程师需要对前级的电压与电流进行处理，才能匹配后级电路模块的需求，本文介绍基于中微爱芯产品的全套解决方案。

前级信号可能为MCU、FPGA、CPLD、DSP等主控芯片，电阻分压的检测或基准信号，又或是远距离传输的衰减信号。当前级信号的电压、驱动能力不能满足需求时，中微爱芯可提供九类电路来解决此类问题。

驱动能力是指在同时满足Voh（输出引脚为逻辑1时的最小电压值） 和 Vol（输出引脚为逻辑0时的最大电压值）前提下，可以输出和吸收的最大电流，Voh和Vol的数值可在规格书中直接查询。

I/O驱动能力的差异来源于MOS管自身的特性，要想过电流能力大，MOS管体积就要大，芯片所需的面积就会更大，成本自然也会更高，因此通常情况下MCU的I/O口只有一部分具有高驱动能力。

以目前市场常用的STM32为例，通常最大可以输出8mA，灌入20mA，且要求所有进入芯片电流总和都不能超过150mA。Xilinx公司的spartan 6通常最大为25mA。尤其在多种外设都需要I/O口的情况下，为保障系统的可靠主控的各端口驱动的并不能满额应用，同时其输出电压幅值无法获得需要的电压也成为工程师烦恼。

1、基于缓冲器、三态门、反相器逻辑电路方案

AiP74HC244内部结构示意&AiP74HC244管脚图

🔹 应用方案特点：

1）驱动能力10mA

2）部分电路支持输出三态控制

3）单向电平转换

4）可应用于可扇出设计

5）可控制输出总线

6）波形整形

🔹 应用案例：

310V的安川逆变驱动部分框图

🔹 中微爱芯推荐电路：

注：中微爱芯在基础buffer上衍生正反相、有无缓冲、使能控制、三态、开漏、施密特及不同通道数的HC/HCT/AHCT/LV/LVC/AUP等系列近百款产品，可为开发者提供丰富的选择，更多选择请关注中微爱芯官网。

2、总线收发器方案

缓冲器、三态门属于单方向控制传输，在三态门基础上增加方向控制功能即可衍生出数据收发器。数据收发器应用非常广泛，最常见的就是作为总线，总线上连接众多收发器和其他设备，通过控制总线来控制哪一个设备与总机进行数据交互。

AiP74HC245内部结构示意&AiP74HC245管脚图

🔹 应用方案特点：

1）电路支持输出可控制关断

2）准双向电平转换

3）准双向信号传输

4）部分电路支持双电源

5）对长距离传输信号进行发送能力加强与接收波形整形

🔹 应用案例：

目前总线收发器主要应用大屏显示、并口液晶屏、并口打印机、并口传感器或通讯模块等设备的接口和总线上。

🔹 中微爱芯推荐电路：

注：更多选择请关注中微爱芯官网。

3、达林顿方案

达林顿管就是两个三极管接在一起，前级三极管功率一般比后级三极管小，前级三极管基极为达林顿管基极，后级三极管发射极为达林顿管发射极，用法跟三极管一样，放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积。

🔹 应用方案特点：

1）电路支持高达500mA单路低电平输出

2）电路输入兼容TTL与CMOS

3）输出为集电极开漏，主要作为低压侧开关作用

4）输出内部集成放电二极管，可以接入感性负载

🔹 应用案例：

通常主控单元很难驱动大电流LED、直流电机、步进电机、继电器、蜂鸣器等设备，可以采用中间级加入达林顿电路的方式来驱动，可将驱动电流扩大至500mA，且该电路可以按需求提供3～50V的供电电压。

AiP2003的一些广泛应用方案

🔹 中微爱芯推荐电路：

4、桥驱动电路方案

桥驱动电路通常有两种类型，一是直接驱动马达，二是通过驱动功率管再驱动马达。桥驱动电路从功能上也可分半桥、H桥、双H桥、三相桥，此外还有低边驱动和高边驱动。

其中的栅极驱动IC相当于控制信号与功率器件之间的接口。此类电路除了传统意义的驱动电机外，也可以利用其电平转换和驱动能力强的特性实现多种场合应用。

🔹 应用方案特点：

1）推挽输出

2）兼容TTL与CMOS

3）实现电平转换，可提高至40V以上

4）驱动电流能力可提高至几A级别

 🔹 应用案例：

桥驱动芯片为摄像机、消费类产品、玩具和其他低电压或者电池供电的运动控制类应用提供了一个集成的电机驱动器解决方案，可广泛应用于：指纹锁、阀门控制、安防监控、摄像机、数字单镜头反光 (DSLR) 镜头、消费类产品、玩具机器人、医疗设备。

AiP6150H在智能门锁中驱动马达

🔹 中微爱芯推荐电路：

5、音频功放方案

AiP9971内部结构

音频功放分为数字功放和模拟功放：数字功放是DAC之前对数字信号进行处理，而模拟功放是DAC之后对模拟信号进行处理。市面上主流的模拟功放方案以AB（甲乙）类居多，AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。

🔹 应用方案特点：

1）可以对模拟信号进行放大

2）兼容TTL与CMOS

3）实现模拟电平转换

4）驱动功率可以达到几W

🔹 应用案例：

音频功放可以用于对音频信号进行放大 。目前市场有一些具有创意的工程师将音频功放作为其他模拟信号的驱动来使用。这里以AiP9971为例来讨论一个特殊的案例，一种基于AiP9971的AB类功放模式开发的帕尔贴（TEC）方案。

半导体制冷片（TEC）当电子从低能量的P型材料流向高能量的N型材料时，电子会从低能级向高能级跳跃相反当电子从高能量的N型材料流向低能量的P型材料时，电子会从高能级向低能级跳跃，这时表现为电子需要放热。因此可以通过控制极性来控制制冷还是制热，通过电压值的大小控制制热和制冷功率，达到目标的温度稳定。直接使用单片机的DAC显然是不够的，因此在单片机上外接AiP9971来增强驱动。

帕尔贴方案

当然，使用桥驱电路结合PWM调制和PID算法也可以实现更大功率方案。

🔹 中微爱芯推荐电路：

6、电平转换方案

最早电平转换方案如下图所示，因设计外围、成本与稳定性要求目前逐渐被集成芯片所替代。

早期电平转换电路

电平转换是针对多个电压域模块之间通讯的一种转换技术，如果模块之间供电电压不一样，轻则造成信号传输出错，重则损坏芯片。为了保证系统正常稳定工作，可使用专用的电平转换电路。

专用电平转换芯片可分为可控的电平转换、方向自动检测的电平转换、方向固定的电平转换等类型。为方便工程师选择应用，中微爱芯可提供TS系列，TB系列、LS系列及GTL系列等电平转换系列芯片。

🔹 应用方案特点：

1）自适应无需方向控制双向电平转换

2）用于两个不同电压芯片进行通讯传输

3）可对信号进行扇出

🔹 应用案例：

空调主控MCU与外接产品进行I2C通讯，比如主控与Wifi模块便可采用AiP2206。

空调内机控制板应用案例

中微爱芯电平转换产品

7、运放电压跟随器方案

运放电压跟随器，顾名思义就是输出电压与输入电压是相同的，电压跟随器的电压放大倍数接近1。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低。

🔹 应用方案特点：

1）缓冲：在一定程度上可以避免由于输出阻抗较高，下一级输入阻抗较小时产生的信号损耗，起到承上启下的作用。

2）隔离：由于电压跟随器具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点，使得它对上一级电路呈现高阻状态，而对下一级电路呈现低阻状态，常用于中间级，以隔离前后级电路，消除它们之间的相互影响。

3）输出驱动最高30mA

 🔹 应用案例：

运放电压跟随器应用非常广泛，除远距离传输使用外，常见的有电阻分压后的跟随，还有利用其隔离特性的，比如在HIFI电路中就包含电压跟随器，将其置于前级和功放之间，用于消除扬声器的反电动势对前级的干扰，使得音质更加清晰。

 🔹 中微爱芯推荐电路：

8、带使能的LDO电源方案

早期的LDO如AiP7805、AiP1117是不带使能功能的，目前中微爱芯的AiP76XX带有使能功能。可以利用该特性来做一个具有高边驱动的信号转换。因该产品具有丰富电压可供选择，所以可以作为电平降压，电流加强的信号转换器。

🔹 应用方案特点：

1）兼容TTL与CMOS电平

2）适合低频信号

3）输出驱动在300mA

4）输出电平降压，可选择电压为：0.8V、1.2V、1.3V、1.8V、2.2V、2.5V、2.6V、2.8V、2.85V、3.0V、3.3V、3.6V、4.0V、4.2V、4.4V、5.0V；也可以通过ADJ型号进行选择。

🔹 应用案例：

前级为5V相对较弱的驱动电平，该方案可以转换为3.3V的300mA强上拉驱动电平。

应用案例

9、高速MOSFET驱动方案

AiP4420是6A（峰值）单输出Si-NMOSFET/SiC-NMOSFET驱动器，采用CMOS工艺设计制造，与双极驱动器相比，功耗更低，运行效率更高。

 🔹 应用方案特点：

1）输入信号兼容TTL与CMOS电平

2）输出电流最高可达到6A

3）输出电压≤18V

 🔹 应用案例：

主要应用于电力电子、电机驱动和变频器等领域。