双向电平转换芯片TXB0304应用笔记

TXB0304作为新一代自动识别方向的电平转换芯片，跟上一代同类器件TXB0104相比，具有更低的工作电压（0.9V）、更高的转换速率（1.8V-3.3V间电平转换时最高速率140MBPS）、以及更小的封装等优势。也正是因为需要在较低工作电压时也能达到较高的转换速率，芯片在某些关键参数设计上，也跟上一代产品有所不同，比如ONE-SHOT输出电路的MOS管内阻必须要设计得更小一些。这就要求在某些特殊情况下应用时（比如输出PCB走线较长），需要额外留意电路原理图的设计和PCB布线设计，以减轻输出过冲和震荡的现象。

TXB0304工作原理

TXB0304作为双电源供电的双向电平转换，通过检测外部端口的驱动电流来判别转换方向，因此不需要外部的方向控制管脚来选择控制器件转换的方向。工程师在使用它时非常省事，软件上也无需考虑何时应该去更改它的转换方向。如上面左侧框图所示，假如A侧所外接的主控设备端口为输出端口，那么该输出端无论输出高电平或是低电平，都将会有一定的驱动电流；而假设与B侧相连的从属设备为输入端口，那么输入端口将会是高阻输入特性，而高阻输入端口本身不会对外提供驱动电流。因此当A侧输入电平发生翻转时，输入信号的上升沿将会触发图中上端的One-Shot电路打开(即MOS管T1打开一瞬间，T1较低的内阻可以让B侧的电平迅速上升到高电平，之后T1关闭，靠图中的U2来维持高电平输出。注意B侧的输出高电平参照的是Vccb，而A侧的输入电平则是参照Vcca。因此A侧输入的1.8V(Vcca)高电平，经过TXB0304转换之后，输出为3.3V(Vccb)的高电平。, n0 ]: f! [6 _9 k当A侧输入电平由高电平变为低电平时，输入信号的下降沿将会触发图中下端的One-Shot电路打开(即MOS管T2迅速打开一瞬间)，T2较低的内阻可以让B侧的信号电平迅速变低，然后依靠U2的输出来保持低电平的输出。当信号从B侧向A侧方向转换时，工作原理是一样的。2TXB0304通用注意事项正是因为TXB0304是靠外部输入驱动电流来实现转换方向的识别，因此要求外部芯片的输出驱动能力要不小于3mA。太弱的输出电流驱动能力会让TXB0304不能正常地工作，因此TXB0304非常适合用在推挽式输出类型的端口上面，比如常见的SPI、UART、I2S/PCM …等信号接口。同时注意TXB0304的A/B两侧不能同时存在较强的外部输入驱动电流，这样会让两个方向的转换通道都打开，这将会导致两侧的输出端口产生震荡而根本无法工作。这种情况最常见的是将TXB0304误用于I2C、MDIO等需要外加上拉电阻的信号电平转换。如果A/B两侧都外加了较强的上拉，A/B两侧都会有输入电流灌入，因此会导致TXB0304无法正常工作。2 u8 F1 a( V  }8 \# k  p如果因为电路应用原因而必须外加上拉或下拉电阻的话，上拉/下拉电阻的阻值要求大于20K，最好是在50K以上。这样上拉电流才会比较小而不会干扰TXB0304的正常工作，正常情况下是靠外部器件的推挽结构(Push-Pull)输出端口来驱动。而如果仅仅是用作单向电平转换的情况下，那么在输入端加上拉电阻则不会有任何问题。TI公司的另外一个器件TXS0104则是专门用于I2C/SMBUS/MDIO等OC/OD门输出信号的电平转换，它可以支持AB两侧同时外加上拉电阻，同时它内部也内部也集成了10K的上拉电阻。TXB输出走线注意事项有时在使用TXB0304时，输出波形质量很差，有较严重的过冲和回落，同时还伴随有振铃，这种情况直接导致系统的后级芯片不能正确采样到正确的高低电平而出现异常。经过现场分析和波形测试，发现在使用TXB0304时，其输出端口与后级负载芯片距离较远，而阻抗匹配电阻放在远离TXB0304的负载器件的输入端口附近。如前所述，TXB0304因为需要保证在较低工作电压下也能达到较高的转换速率，因此它的One-Shot加速电路的MOS管内阻设计得非常小，在Vcc=3.3V时典型值仅仅为2.5欧姆，而上一代产品TXB0104在Vcc=3.3V时，One-shot电路的MOS管内阻将近40~50欧姆。当输出负载走线较长时，信号线上的反射会比较严重，加上TXB0304的One-Shot电路内阻极低，容易产生较大的过冲，因此非常有必要做好输出端的阻抗匹配。选择合适的匹配电阻值，以及将匹配电阻放在非常靠近TXB0304输出管脚的地方，都可以有效地改善阻抗匹配效果。经过实测，合适的匹配电阻，加上正确的摆放位置对输出波形的改善效果非常明显。下图一为不加匹配电阻的输出波形，可以看到电压上冲后回落到了2.5V；下图二加了阻抗匹配电阻之后，电压回落到3.0V，处于非常安全的高电平之上了。

同时，因为TXB0304的One-Shot输出阻抗极低，在快速打开和关闭一瞬间，因为负载电感产生的反电动势也容易影响到供电电压。因此在Vcc供电管脚处加上合适的去耦滤波电容，对输出波形质量提升也有非常重要的作用。建议在非常靠近Vcc管脚的地方，同时加上0.01uF，0.1uF和1uF的去耦滤波电容，这样对TXB0304的稳态输出和瞬态电平翻转，都能起到很好的帮助效果。下图为推荐的串阻摆放位置，以及去耦电容值的选择和摆放位置。