Руководство по различиям источников питания 3,3 В и 5 В

Проектируйте и создавайте надёжные электронные схемы и устройства, изучив основные характеристики и различия между источниками питания 3V3 и 5V.

Авторы: Taddy Chung, José Bagur

Последнее обновление: 11.07.2022

3V3 против 5V 

При проектировании большинства электронных схем и устройств необходимо выбрать источник питания. Напряжение источника питания обычно определяется либо удобством использования, либо требованиями к энергоэффективности самой электронной схемы или устройства.

3V3 и 5V — это стандартные уровни напряжений источников питания в наше время. Несмотря на то что разница между ними составляет всего 1,7 В, этого достаточно, чтобы обеспечить существенную разницу в энергоэффективности. В этом руководстве будет показано, почему 3V3 является современным стандартным уровнем напряжения для источников питания в электронных схемах и устройствах, а также приведены общие советы при проектировании и работе с этими уровнями напряжений в ваших схемах или устройствах на базе Arduino.

3V3 — стандартный уровень напряжения 

Итак, почему 3,3 В является стандартным уровнем напряжения питания? Поскольку потребление электроэнергии всегда было предметом беспокойства для разработчиков, более низкие уровни напряжения питания были введены с целью создания более энергоэффективных схем и устройств. На протяжении более 30 лет питание электронных схем и устройств от уровня 5 В было общепринятой практикой; сегодня большинство электронных схем и устройств используют уровень питания 3V3, а некоторые переходят на уровень 2V5 (и даже ещё ниже!).

Важно

Снижение напряжения питания даёт экспоненциальное уменьшение потребляемой мощности.

Для определения уровней входных и выходных напряжений при каждом уровне напряжения питания существует стандарт; этот стандарт был разработан Советом по стандартизации полупроводниковых приборов (JEDEC) — это стандарт JEDEC Standard 8-A для уровней интерфейса низкого напряжения (LV). Стандарт JEDEC 8-A для уровней интерфейса LV описан на изображении ниже для семейств логики 3V3 и 5V:

Стандарт JEDEC 8-A для уровней интерфейса LV.

На изображении выше:

VOL — максимальный уровень выходного напряжения, который электронное устройство выдаёт при сигнале НИЗКОГО уровня
VIL — максимальный уровень входного напряжения, при котором электронное устройство ещё воспринимает сигнал как НИЗКИЙ
Vt — пороговое напряжение, при котором электронное устройство переключает интерпретацию сигнала с низкого на высокий уровень и наоборот
VIH — минимальный уровень входного напряжения, при котором электронное устройство ещё воспринимает сигнал как ВЫСОКИЙ
VOH — минимальный уровень выходного напряжения, при котором электронное устройство ещё воспринимает сигнал как ВЫСОКИЙ

Совет

Для получения более подробной информации о современных микроэлектронных стандартах посетите сайт JEDEC.

Как избежать сгорания схем: основы 

Любой разработчик электроники, управляющий линиями питания электронных схем и устройств, может случайно или намеренно вызвать короткое замыкание и, как следствие, повредить электронные схемы или устройства. Аварии и ошибки случаются всегда, но мы можем следовать некоторым советам и приёмам, чтобы их избежать. Давайте разберёмся!

Цветовая маркировка линий питания 

Цветовая маркировка линий питания — это простейший, но наиболее эффективный визуальный метод предотвращения неправильного подключения в цепях питания электронных схем или устройств. При прототипировании электронной схемы или устройства некоторые разработчики допускают типичную ошибку — используют один и тот же цвет для всех проводов, которые беспорядочно переплетаются, что делает невозможным их идентификацию.

Цветовая маркировка линий питания значительно упрощает идентификацию линий напряжения и заземления (GND). Согласно отраслевым нормам и стандартам, красный цвет обычно используется для обозначения линии напряжения, а чёрный — для обозначения линии GND; цвета варьируются в зависимости от норм или стандарта.

Совет

Для получения дополнительной информации об электрических нормах и стандартах обратитесь к Национальному кодексу электробезопасности® Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE).

Интеграция предохранителей 

Один из простых способов защиты электронных устройств — интеграция в устройство встроенной схемы защиты питания. Для этого можно реализовать несколько схемотехнических решений; одной из наиболее простых схем является использование предохранителя.

Интеграция предохранителей в электронные устройства — не сложный процесс проектирования. Следующая схема показывает простую защиту от обратной полярности, которая может использоваться в низковольтных схемах постоянного тока:

Эта простая схема защиты от обратной полярности использует предохранитель и диод, которые затем подключаются к электронной схеме, называемой нагрузкой.

Улучшенная схема защиты от обратной полярности 

Реализация сложной схемы защиты питания не означает абсолютной защиты нагрузки. В зависимости от выбора компонентов и стоимости реализации решение может стать значительно более элегантным — это справедливо и для защиты от обратной полярности. Следующая схема защиты от обратной полярности разработана Мехди Садагдаром.

Полная схема защиты от обратной полярности.

Ключевыми элементами представленной выше схемы являются диод-супрессор переходных напряжений (TVS) и MOSFET-транзистор P-канального типа. Эта схема защиты поможет сохранить защищаемую нагрузку и служит хорошим образцом для проектирования защиты. Однако из-за применяемых электрических компонентов она немного сложнее для рассмотрения в рамках данного руководства.

Совет

Если вы хотите узнать больше, посетите эту статью Мехди Садагдара.

Защита от перенапряжения и сверхтока 

Иногда электронное устройство, которое должно получать входное напряжение 3,3 В от источника питания, может получить «грязное» напряжение. Это приводит к аномальному поведению электронного устройства. Это может полностью дестабилизировать систему или принудительно изменить логику из-за того, что изменённый диапазон логики становится нераспознаваемым. Таких нежелательных явлений становится ещё больше, если в систему вводится перенапряжение или сверхток.

Итак, как же защитить систему в данном случае? Решение может быть основано на надлежащей защите от обратной полярности, показанной ранее. Правильная защита от обратной полярности реализует двунаправленный супрессор переходных напряжений, добавляя P-канальный MOSFET с диодом Зенера и двумя резисторами для обеспечения полноценной защиты.

Примечание

Транзистор-супрессор переходных напряжений (TVS) — это тип диода, который помогает защищать от высоковольтных импульсов, генерируемых на выходе источника питания.

Но простая защита от обратной полярности с диодом-супрессором переходных напряжений может использоваться для защиты от проблем с перенапряжением и сверхтоком. Если вы хотите обеспечить более глубокую защиту нагрузки от перенапряжения и сверхтока, можно интегрировать Surge Stopper для активной защиты. Это может увеличить стоимость, однако является хорошей мерой по защите нагрузки.

Преобразование напряжения — преобразователи уровней 

Платы Arduino работают на уровнях 3,3 В и 5 В. Но иногда может не оказаться доступных контактов, соответствующих требованиям по напряжению для надлежащего управления датчиком или другой линией. В этом разделе мы рассмотрим, как можно повышать и понижать напряжения.

Мы будем использовать двунаправленный преобразователь логических уровней для преобразования уровня напряжения, чтобы иметь возможность работать с датчиками или логическими схемами при более высоких или низких уровнях напряжения. Это вариант для использования в случае жёстких электрических требований, реализованных в плате.

Совет

Используемый двунаправленный преобразователь логических уровней можно найти здесь (SparkFun).

Понижение напряжения 

Начнём с изучения понижения напряжения. Как правило, напряжение понижается до более низкого уровня, требуемого внешним модулем или датчиками. Это также может быть обусловлено необходимостью более низкой линии напряжения для управления отдельной схемой. Очень важно знать электрические требования, которые предъявляются при более сложной, чем обычно, электронной конструкции. Например, при жёстких электрических требованиях и множестве сигнальных линий, работающих на высоких скоростях.

Делитель напряжения — простейшее и лёгкое в реализации решение. Он использует 2 резистора для создания пониженного выходного напряжения. Таким образом, зная входное напряжение, целевое выходное напряжение и опорный резистор, достаточно легко рассчитать второй необходимый резистор для получения требуемого напряжения. Ниже показана схема делителя напряжения.

Делитель напряжения / резистивный делитель.

При использовании этой схемы необходимо по-прежнему соблюдать осторожность в отношении паразитной ёмкости, подключённой к выходу данной схемы, и быстрых фронтов сигналов, так как для некоторых приложений с критичными требованиями по временным характеристикам или модулей, не рассчитанных на быстрые фронты, это может стать проблемой.

Повышение напряжения 

Для повышения напряжения потребуется использовать несколько более сложную электрическую схему с применением диодов. Следующая схема показывает, как использовать диоды для повышения напряжения.

Схема повышения напряжения — реализация на диодах.

Необходимо смещать диоды с осторожностью, используя резистор со значительно более низким сопротивлением, чем входное сопротивление затвора 5 В. Один из приёмов от Microchip — использовать диоды Шоттки для незначительного увеличения высокоуровневого напряжения и предотвращения роста низкоуровневого напряжения. Следующая схема использует другую конфигурацию.

Эта схема использует MOSFET в качестве ключа и снимает логику 5 В со стока. Она удобна в случае, если инверсию логики можно обработать, поскольку логика 3,3 В инвертируется. Для начала работы с MOSFET в данной схеме можно использовать транзистор 2N7000 или BSS138.

Двунаправленный преобразователь логических уровней 

Предыдущие электрические схемы являются однонаправленными преобразователями логических уровней. Это означает, что для использования другой конфигурации преобразования необходимо полностью менять всю электрическую схему — с понижения на повышение и наоборот. Кроме того, если размер электронного устройства имеет значение, можно использовать готовый преобразователь логических уровней.

Вы можете использовать двунаправленный преобразователь логических уровней от SparkFun для тестирования и для развёртывания, если требования позволяют его интеграцию. Преимущество данного конкретного преобразователя заключается в том, что он предоставляет 4 канала для преобразования в пределах заданных опорных напряжений. Опорные напряжения высокого уровня (High Voltage) и низкого уровня (Low Voltage) задаются желаемыми уровнями напряжения, а каналы используются для передачи данных между ними.

Преобразование напряжения — логический преобразователь уровней.

Схема выше использует двунаправленный преобразователь логических уровней для организации интерфейса I2C с любым датчиком, поддерживающим этот протокол. Линии SCL и SDA проходят через канал высокого напряжения и устанавливают связь с датчиком, подключённым к соответствующему каналу низкого напряжения.

Конфигурация логического преобразователя уровней обычно не изменяется, поскольку его назначение — передавать сигнал с высокого на низкий уровень или наоборот, в зависимости от архитектуры работы. Таким образом, предыдущая схема иллюстрирует типичную глобальную конфигурацию подключения. Она может, например, использоваться для сопряжения платы Arduino с другим вычислительным модулем, работающим на другом уровне напряжения. Схема ниже показывает детали каждого канала и фокусируется на содержимом внутри условного обозначения логического преобразователя уровней.

Устройство логического преобразователя уровней.

Каждый канал состоит из двух резисторов и MOSFET-транзистора, который использует опорные напряжения высокого и низкого уровней для передачи сигнала от соответствующего модуля.

Дополнительная литература и ресурсы 

Работа с различными уровнями напряжений охватывает обширную область электроники, и уровни 3,3 В и 5 В не являются исключением — именно они используются чаще всего. Чтобы глубже погрузиться в тему работы с уровнями напряжений, вы можете воспользоваться некоторыми из ссылок, которые могут привлечь ваше внимание.

Если вы хотите узнать о приёмах работы от Microchip, прочитайте Microchip: 3V Tips „n Tricks и узнайте о широком спектре техник, применяемых с уровнями 3,3 В и 5 В.
Преобразование уровней напряжений — отдельная наука, и компания Philips Semiconductor предлагает детально изучить двунаправленный преобразователь уровней для шины I2C и других систем в своей прикладной заметке AN97055.

Литература 

[1] Larsson, E. (2006). Introduction to Advanced System-on-Chip Test Design and Optimization. Springer Publishing.
[2] Kularatna, N. (2018). DC Power Supplies Power Management and Surge Protection for Power Electronic Systems. Amsterdam University Press.
[3] Ballan, H., & Declercq, M. (2010). High Voltage Devices and Circuits in Standard CMOS Technologies. Springer Publishing.