虽然不同电子项目的最终优化目标不尽相同，但小型化和高能效通常都是首要考虑事项。电子行业一直在寻找缩减器件和组件尺寸并降低功耗的方法。提高集成度有助于减少组件的重量和体积，同时有机会将更多功能整合到一定区域之中。降低功耗不但能提高便携式产品的实用性，还能满足人们对更可持续电子设备的需求。
在嵌入式电子产品中，有时会通过降低工作电压来提升器件的能效，同时进一步缩减尺寸。但降低一些器件的工作电压，会导致电子电路中出现更多不同的电压电平，这给接口设计带来了挑战。
本文将围绕现代电子系统中的逻辑电平转换器（也称电压转换器或电平转换器）展开讨论，介绍安森美(onsemi)提供的此类产品将如何有效促进工作电压不同的器件实现互联互通、克服相关系统设计障碍。
电平转换器需求日益增长
集成电路(IC)正朝更低电压方向发展，市场对逻辑电平转换器的需求也日益增长。在数字电子器件中，功耗与电源电压的平方成正比，其公式为：P = CV2f，其中P是功耗、C是电容、V是电压、f是频率。因此，工作电压的降低会导致动态功耗显著降低。
这种特性也推动了器件的小型化和降低工作电压的发展趋势。在过去的几十年里，IC的制程已经从40 nm 发展到10 nm 和7 nm，实现了更低的工作电压和I/O电压。降低电压有助于减少功耗，因为晶体管从低电平0 V 切换到高电平1.2 V 或1.8 V时所需的能量，比从0 V 切换到5V时所需的能量要少。
此外，工作电压较低时，可以使用更小的晶体管，因此这还有助于提升半导体器件的集成度。相应地，芯片尺寸也可以减小，或者可以容纳更多晶体管，从而提高性能。器件工作电压越低，所产生的热量也越少，所需的散热器就越小，并且可以更靠近其他发热电子器件，从而提高系统集成度。
应对更宽的工作电压范围
追求更低电压的过程并非一帆风顺，其中存在着一些必须克服的障碍。过去，早期CMOS技术和传统晶体管-晶体管逻辑(TTL)的标准工作电压大多为5 V，这使得嵌入式电子产品中的器件接口相对简单。但是，当今的电子电路远比过去复杂，工作电压多种多样，而许多传统甚至新型数字外设仍然以5V电压运行。
同样，许多模拟产品需要更高的工作电压来满足电压裕量、信号完整性和功率处理需求。像数模转换器(DAC)等混合信号器件，工作电压更高时，性能更优，比如输出范围更大，有利于改善动态范围和信噪比(SNR)，从而更容易准确再现模拟信号。
对于工业自动化、AI计算部署和汽车功能如先进驾驶辅助系统(ADAS)的复杂电子电路，用于升高或降低器件之间的信号电平的电平转换器必不可少。集成电平转换器可确保无缝通信并支持灵活选择器件，让设计人员能够通过选择能效更高且更实惠的产品来优化各项功能。
超越传统电平转换器的限制
为完成嵌入式电子器件之间的逻辑转换，通常需使用由双极结型晶体管(BJT)或场效应晶体管(FET)组成的分立电路，或者CMOS IC。然而，这些解决方案难以克服现代电子电路中常见的几个技术障碍。
更低的电压，更高的灵敏度
工作电压降低时，SNR会受到不利影响，导致系统对噪声电压幅度的承受能力降低。两个器件之间的电压“步进”幅度加剧了这一挑战，尤其是当从1.2 V 或更低电压升高至5 V 时，噪声放大会增加信号质量下降的风险。
不断提高的数据速率和混合电压环境
在数据中心和汽车等要求严格的应用中，逻辑电平转换的精度必须与数据传输的速度相匹配。以自动驾驶汽车为例，感知传感器等低压器件与控制电子设备之间需进行逻辑转换，任何延迟或信息丢失都可能影响车辆安全。许多领域在持续扩展功能，包括集成AI和 机器学习(ML)模型，这进一步加剧了市场对电平转换的需求。
新的电平转换器必须支持高速协议，以实现跨各种电压电平的快速双向通信，同时避免延迟或损害信号完整性。例如，普遍应用于无数现代嵌入式器件的SPI，其数据速率高达100 Mbps。这比旧协议I2C要快得多，后者的峰值速度仅为几Mbps。
为了确保SPI等高速接口保持同步，许多转换器会使用反馈时钟，但这会增加CPU/GPIO和功耗。在更复杂的汽车和工业设计中，为了支持更快速、更智能的控制系统，整合千兆以太网的需求也日渐迫切。实现1 Gbps 的速度通常需要RGMII接口，该接口使用125 MHz 时钟和双倍数据速率(DDR)信号，以250 Mbps 的速度同时传输4位数据。然而，为了处理快速信号转换并支持以太网PHY和MAC之间不同的电压电平，高性能逻辑电平转换器至关重要。
管理功耗和热效率
随着工程师不断提升集成度、缩小设计体积，更多的功能被封装到更小的空间内，导致散热和功耗成为关键考虑因素。
汽车和工业应用环境通常比较恶劣，相关器件必须能够在高温下正常工作，而传统的电平转换器往往无法胜任。同样，支持更高数据速率的器件，尤其是有关双向操作的器件，需经历更加严格的能效测试。这是因为在高数据速率环境中，每次转换的能量损耗会迅速累积起来。针对这两个方面，如果逻辑转换的电压差很大，热和功耗问题就会更加严重。
面向未来电平转换器的全新平台
现代电子电路的技术难题层出不穷，我们需使用性能更强的电平转换器，确保在极端恶劣的环境，器件可以正常工作，且系统的可靠性不受影响。
安森美的新款电平转换器T30LxXT4T245和T30LxXT4T244采用了创新型65 nm 双极性-CMOS-DMOS (BCD65) 半导体工艺，这是该公司基于Treo平台打造的首个产品系列。Treo平台旨在将安森美先进的感知、电源、数字和模拟电子技术整合到单个IC中，从而改进可靠性、性能表现和集成度，为智能电源和感知方案的高级模拟和混合信号平台树立新的标杆。
安森美的T30LxXT3V245 / T30LxXT3V244
对于易受噪声影响的应用，例如存在极低电压器件的应用，或输入和输出逻辑之间存在较大压差的应用，T30LxXT3V245相较于传统电平转换器有许多优势。
T30LxXT3V245支持高达400 Mbps 的数据速率，能够流畅地处理SPI等高速协议。此外还能够迅速而准确地完成电平转换，确保信号完整性，而无需反馈时钟，这样既简化了设计，又降低了功耗（图1）。
得益于高速功能，T30LxXT3V245非常适合环境苛刻、依赖快速可靠的操作来自主执行任务的应用，例如工业自动化和汽车ADAS。它能有效支持高速千兆网络，确保减少延迟。
安森美的BCD65工艺作为Treo平台的基础，其另一项关键优势是工作电压较低时，仍具有出色的性能。虽然许多5 V 器件也能在1.8 V 电压下工作，但速度往往会显著下降。同样，虽然3.3 V 器件在1.8 V 下性能尚可，但当电压接近1.2 V 时，效率就会大打折扣。安森美的Treo平台优于其他同样采用3.3 V 工作电压的方案，在1.8 V 和1.2 V 时开关速度明显更快。这使T30LxXT3V245能够提供更优性能，即使在低电压下也能支持较高的数据速率。
Treo的65 nm BCD 技术为T30LxXT3V245实现了宽工作温度范围（-40℃至125℃），这不仅确保了系统能够在高温环境中长期可靠地运行，还有助于缩小散热器的体积。Treo平台优先考虑高效的功率处理，同时通过创新布局来有效控制阻性和容性元件，减轻寄生效应。其先进的架构结合了经强化的隔离技术，可降低EMI并提高耐用性，确保T30LxXT3V245能够精准可靠地运行。
在现代电子设计中，T30LxXT3V245可优化组件的工作电压范围，从而降低功耗并提升系统整体性能和寿命。
总结
T30LxXT3V245旨在满足当前市场对逻辑电平转换技术的新需求，它具有高速性能、稳健的噪声管理特性，并能在各种电压下高效可靠地工作。
该产品依托Treo平台的优势，确保在各种电压差和具挑战性的热环境下实现可靠的逻辑电平转换。安森美的Treo平台和T30LxXT3V245满足了市场对高效率、高性能电平转换器的需求，为汽车、消费电子、医疗和工业等不同行业的现代低压高速电子系统带来了至关重要的解决方案。
