【技術分享】Lierda NB-IoT&Cat.1 串口電平轉(zhuǎn)換電路方案說明
2024/02/23
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用戶在使用NB&Cat.1模組標準AT通信時，模組與外設MCU會出現(xiàn)串口電壓不匹配的情況(如MCU電壓3.6V，模組UART串口電壓1.8V)，為了避免產(chǎn)生漏電流及對串口引腳產(chǎn)生損傷，此時需要通過串口電平轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)模組與MCU之間的數(shù)據(jù)通信。本文給出了NB-IoT&Cat.1的串口電平轉(zhuǎn)換推薦電路，同時針對該電路的性能做相關分析，便于用戶快速、可靠的完成相應的電路設計與開發(fā)。
1、串口電平轉(zhuǎn)換電路
1.1 參考電路
??注：
??1、二極管電路中需特別關注二極管方向。
??2、如果模組內(nèi)部無上拉，則二極管轉(zhuǎn)換電路需要外部上拉，上拉電阻建議不低于10k。
??3、本文檔中MCU_TXD電平默認輸出3V，VCC_EXT電平默認1.8V，后續(xù)不再贅述。
??4、模組VCC_EXT電平具體數(shù)值參考模組硬件設計手冊。
1.2 功能說明
三極管轉(zhuǎn)換電路導通與截止說明
??注：
??1、C1為去過沖電容，當輸入信號存在過沖時，可減緩三極管截止速度，進而使輸出波形上升沿變緩慢，如果輸入信號無過沖時，可以去除C1電容。
??2、R1為輸出端上拉電阻，阻值越大導通功耗越低，但是波形上升沿越緩慢，如果輸出端對應電路因為輸入(寄生)電容大導致波形畸變較為嚴重時可適當減小R1阻值，但不可小于220Ω，防止三極管工作在放大區(qū)造成工作異常。
1.3 推薦選型
二極管推薦如下：
品牌：LRC 規(guī)格型號：LRB520S-30T1G 封裝：SOD-523
??注：
??1、二極管選型需注意串口低電平門限值，且保留余量。
??2、上述推薦二極管型號正向壓降實測25V。
三極管推薦如下：
品牌：CJ 規(guī)格型號：S8050 J3Y 封裝：SOT-23
??注：三極管選型需關注轉(zhuǎn)換速率是否能滿足電路要求。
2、測試數(shù)據(jù)
本章節(jié)主要描述二極管電平轉(zhuǎn)換電路和三極管電平轉(zhuǎn)換電路在9600bps，115200bps，961200bps，2Mbps波特率下，電平轉(zhuǎn)換電路的表現(xiàn)情況。
??說明：
??1、黃色為輸入波形，綠色為輸出波形。
??2、115200bps(或以下)波形輸出穩(wěn)定，921600bps(或以上)無明顯畸變，滿足串口通信要求。
??3、由于硬件器件，硬件測試設備等差異，用戶產(chǎn)品的電平轉(zhuǎn)換電路實際應用大于1Mbps時，建議用戶進行相關串口波形驗證測試，以上數(shù)據(jù)供參考。
3、測試結論
通過二極管、三極管搭建的串口電平轉(zhuǎn)換電路邏輯簡單、成本低、維護方便，同時通過對應電阻、電容的合適匹配滿足最高2Mbps的通信速率，可滿足NB-IoT&Cat.1的串口電平轉(zhuǎn)換應用的需求。
1、串口電平轉(zhuǎn)換電路
1.1 參考電路
圖1.1 電平轉(zhuǎn)換電路
??注：
??1、二極管電路中需特別關注二極管方向。
??2、如果模組內(nèi)部無上拉，則二極管轉(zhuǎn)換電路需要外部上拉，上拉電阻建議不低于10k。
??3、本文檔中MCU_TXD電平默認輸出3V，VCC_EXT電平默認1.8V，后續(xù)不再贅述。
??4、模組VCC_EXT電平具體數(shù)值參考模組硬件設計手冊。
1.2 功能說明
二極管轉(zhuǎn)換電路導通與截止說明
??1、C1為去過沖電容，當輸入信號存在過沖時，可減緩三極管截止速度，進而使輸出波形上升沿變緩慢，如果輸入信號無過沖時，可以去除C1電容。
??2、R1為輸出端上拉電阻，阻值越大導通功耗越低，但是波形上升沿越緩慢，如果輸出端對應電路因為輸入(寄生)電容大導致波形畸變較為嚴重時可適當減小R1阻值，但不可小于220Ω，防止三極管工作在放大區(qū)造成工作異常。
1.3 推薦選型
二極管推薦如下：
品牌：LRC 規(guī)格型號：LRB520S-30T1G 封裝：SOD-523
圖2.2??LRB520S-30T1G實物圖
圖2.3??LRB520S-30T1G正向壓降特性
??注：
??1、二極管選型需注意串口低電平門限值，且保留余量。
??2、上述推薦二極管型號正向壓降實測25V。
三極管推薦如下：
品牌：CJ 規(guī)格型號：S8050 J3Y 封裝：SOT-23
圖2.4??S8050 J3Y實物圖
圖2.5??S8050 J3Y電氣特性
??注：三極管選型需關注轉(zhuǎn)換速率是否能滿足電路要求。
2、測試數(shù)據(jù)
本章節(jié)主要描述二極管電平轉(zhuǎn)換電路和三極管電平轉(zhuǎn)換電路在9600bps，115200bps，961200bps，2Mbps波特率下，電平轉(zhuǎn)換電路的表現(xiàn)情況。
圖2.1 二極管電平轉(zhuǎn)換電路9600bps信號波形
圖2.2 二極管電平轉(zhuǎn)換電路115200bps信號波形
圖2.3 二極管電平轉(zhuǎn)換電路921600bps信號波形
圖2.4 二極管電平轉(zhuǎn)換電路2Mbps信號波形
圖2.5 三極管電平轉(zhuǎn)換電路9600bps信號波形
圖2.6 三極管電平轉(zhuǎn)換電路115200bps信號波形
圖2.7 三極管電平轉(zhuǎn)換電路921600bps信號波形
圖2.8 三極管電平轉(zhuǎn)換電路2Mbps信號波形
??說明：
??1、黃色為輸入波形，綠色為輸出波形。
??2、115200bps(或以下)波形輸出穩(wěn)定，921600bps(或以上)無明顯畸變，滿足串口通信要求。
??3、由于硬件器件，硬件測試設備等差異，用戶產(chǎn)品的電平轉(zhuǎn)換電路實際應用大于1Mbps時，建議用戶進行相關串口波形驗證測試，以上數(shù)據(jù)供參考。
3、測試結論
通過二極管、三極管搭建的串口電平轉(zhuǎn)換電路邏輯簡單、成本低、維護方便，同時通過對應電阻、電容的合適匹配滿足最高2Mbps的通信速率，可滿足NB-IoT&Cat.1的串口電平轉(zhuǎn)換應用的需求。
