【简单外围电路】串口3.3V-5V电平转换电路

电平转换电路的作用

电平转换电路的主要作用是解决不同电压标准的集成电路之间的兼容性问题。它能够确保：

1.高电压系统不会损坏低电压系统的敏感输入引脚。

2.低电压系统输出的高电平能够被高电压系统正确识别。

3.信号在传输过程中保持完整性和稳定性。

4.避免电流倒灌和信号反射问题。

没有电平转换，轻则信号通信失败，重则可能永久损坏低压器件

另外，他们的高低电平范围不一样，如果不进行电平转换，逻辑可能混乱。

方案0：专用电平转换芯片

专用电平转换芯片（如TXB0108、PCA9306等）提供了一种"即插即用"的解决方案。这些芯片通常支持多通道、双向转换，并具有自动方向检测功能。

方案1：二极管方案

利用二极管的压降来钳位可以实现电平转换；

如上图所示，当右侧5V单片机TXD发出高电平时，D2截止，左侧RXD通过上拉电阻接收高电平为3.3V；当右侧单片机TXD为低电平时，由于二极管的钳位作用，左侧RXD约为0.3V，默认为低电平。

应用此电路需要D2压降特别小（＜0.5V），一般使用肖特基，否则左右电平无法默认保持一致。

二极管方案的优势是漏电流小，成本低，缺点是二极管压降要求高，驱动能力和传输速率不太高。

 

二极管钳位方案

 

如图二所示，该电路通过二极管钳位作用实现5V至3.3V电平的转换。当5V系统输入高电平时，经电阻R1，再通过二极管D1的钳位作用，使D1的阳极电位保持在3.3+二极管压降的电平(二极管压降选型有要求)，即输入5V高电平输出也是3.3V系统的高电平。
当5V系统输入低电平时，二极管D1不会钳位，经电阻R1后，输入到3.3V系统也是一个低电平，这样也符合了3.3V系统的电平要求。

等价电路如下：

注意： 高压端不要串联任何电阻

不建议在使用硅二极管时，在高电压端的IO电路中串联任何电阻，阻值几十的不在探讨之列，该电阻存在电压将可能会影响低电平，非要用这个电阻时，可以将二极管更换为肖特基二极管，肖特基二极管的电压将较小，可以抵消一部分因为电阻增加的电压。

 

方案2： NMOS 管通信电平转换电路（双向）

 

 

TXD-3V3为1时，因T1栅极为3V3，T1截止，RXD-5V=1

TXD-3V3为0时，因T1栅极为3V3，T1导通，RXD-5V=0

TXD-5V为1时，因D1为二极管不能反向导通，无法影响RXD-3V3，3V3上拉=1

TXD-5V为0时，RXD-3V3电压约0.6V，等于是0

该二极管使用1N4148即可，大款可用1N5819之类肖特基； 如电路正常工作，或内部上拉，R1-R3可不用，又省1分钱
一毛钱的成本都不到,场效应管5分，二极管2分，3个电阻1分，价格我说高了吗?

适用单片机和ARM之类等任何需要电平转换的地方，不一定是5V和3.3V，理论上2V-5V电路均可工作。

也可用在 I2C 电路中，如下图所示：

上拉电阻的取值

上拉就是要把VCC的电压上拉给I/O口使用，同时起到限流的作用。一般取值为10K、5.1K、4.7K。阻值越小，可以提供更大的电流驱动能力，速率越高，但功耗也越高。在满足电路性能的前提下，用阻值更大的电阻，功耗更低。②MOS选型Vgs(th)阈值电压。MOS管Vgs电压过高会导致MOS管烧坏，过低也会导致MOS管打不开。实际使用时为保证完全导通，设计上要多预留余量。

MOS 管选型

可选 BSS138 2N2002

BSS138参数

选择BSS138的原因是需要保证在栅极电压3.3V的情况下，MOSFET能够导通，这点请注意，VGS较低的MOSFET请参考以下链接
常用SOT23封装小功率MOSFET场效应管参数表

属性	参数值
类型	1个N沟道
漏源电压(Vdss)	50V
连续漏极电流(Id)	340mA（电流较AO3400 Id(at VGS=10V) 5.7A小 ）
功率(Pd)	350mW
导通电阻(RDS(on)@Vgs,Id)	2.5Ω@10V,0.34A ； < 3.0Ω @VGS=4.5V
阈值电压(Vgs(th)@Id)	1.6V@250uA
栅极电荷(Qg@Vgs)	1.7nC@10V
输入电容(Ciss@Vds)	17.5pF@25V

 

缺点：信号频率做不到很快

这种方案适用于低频信号电平转换，价格低廉，压降比三极管小，速度一般在400K以下。

测试条件：MOS管采用的是2N7002小信号NMOS，输入电容很小的，大概几十pF。下面是电路及实物

115KHz波形，这个是频率是常用串口较高的波特率

分析：5V电路上升沿缓是因为依靠上拉电阻上升至5V，时间常数决定，上拉电阻越小上升时间越小；5V电路下降沿陡是因为NMOS导通，直接由3.3V电路驱动低电平。

400KHz，高速IIC通信的时钟频率

1MHz，波形上升太慢了

4MHz，已经不能输出5V的电平了

分析：5V电路还没来得及上升至5V就被拉下来了。

其他等效电路

方案3：NPN 三极管方案

 

 

方案3：双三极管同相驱动电路：小电压向大电压

上图电路使用两个NPN三极管，可将输入信号3.3V电平转换为5V输出电平，并且信号保持同步。电路描述：TX为低时，Q3不通、Q4导通，RX接地也为低；TX为高时，Q3导通，Q4不通，RX上拉为5V。如此二者高低同步，且电平实现转换。

此电路优势是成本低，驱动能力强，电路应用较为成熟广泛。

缺点是通过三极管转换波形有延迟，所以速率不能太快（波特率不超过230400）。多路转换时物料较多，需要较大的布局空间。

 

参考资料

《一毛钱都不要的5V串口和3.3V串口通信电平转换电路》

https://blog.csdn.net/USALCD/article/details/136998539

 

5v3.3v电平转换电路_5v稳压二极管参数

https://cloud.tencent.cn/developer/article/2116559?policyId=1003

 

《经典电平转换电路：5V与3.3V系统通信的硬件桥梁》

作者：老黄带你玩电子

https://mp.weixin.qq.com/s/Z9UeP798WzQMpy_ZwqMTIg

 

《在UART通讯中实现5.5V与3V电平转换的五种方案》

 2025年8月13日 11:30 

https://mp.weixin.qq.com/s/CwBeaSEvx3BWjMbrmm2aEQ