【技术分享】Lierda NB-IoT&Cat.1 串口电平转换电路方案说明
来源：利尔达科技
作者：利尔达
日期：2024-02-23
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用户在使用NB&Cat.1模组标准AT通信时，模组与外设MCU会出现串口电压不匹配的情况(如MCU电压3.6V，模组UART串口电压1.8V)，为了避免产生漏电流及对串口引脚产生损伤，此时需要通过串口电平转换电路来实现模组与MCU之间的数据通信。本文给出了NB-IoT&Cat.1的串口电平转换推荐电路，同时针对该电路的性能做相关分析，便于用户快速、可靠的完成相应的电路设计与开发。
1、串口电平转换电路
1.1 参考电路
注：
1、二极管电路中需特别关注二极管方向。
2、如果模组内部无上拉，则二极管转换电路需要外部上拉，上拉电阻建议不低于10k。
3、本文档中MCU_TXD电平默认输出3V，VCC_EXT电平默认1.8V，后续不再赘述。
4、模组VCC_EXT电平具体数值参考模组硬件设计手册。
1.2 功能说明
三极管转换电路导通与截止说明
注：
1、C1为去过冲电容，当输入信号存在过冲时，可减缓三极管截止速度，进而使输出波形上升沿变缓慢，如果输入信号无过冲时，可以去除C1电容。
2、R1为输出端上拉电阻，阻值越大导通功耗越低，但是波形上升沿越缓慢，如果输出端对应电路因为输入(寄生)电容大导致波形畸变较为严重时可适当减小R1阻值，但不可小于220Ω，防止三极管工作在放大区造成工作异常。
1.3 推荐选型
二极管推荐如下：
品牌：LRC 规格型号：LRB520S-30T1G 封装：SOD-523
注：
1、二极管选型需注意串口低电平门限值，且保留余量。
2、上述推荐二极管型号正向压降实测25V。
三极管推荐如下：
品牌：CJ 规格型号：S8050 J3Y 封装：SOT-23
注：三极管选型需关注转换速率是否能满足电路要求。
2、测试数据
本章节主要描述二极管电平转换电路和三极管电平转换电路在9600bps，115200bps，961200bps，2Mbps波特率下，电平转换电路的表现情况。
说明：
1、黄色为输入波形，绿色为输出波形。
2、115200bps(或以下)波形输出稳定，921600bps(或以上)无明显畸变，满足串口通信要求。
3、由于硬件器件，硬件测试设备等差异，用户产品的电平转换电路实际应用大于1Mbps时，建议用户进行相关串口波形验证测试，以上数据供参考。
3、测试结论
通过二极管、三极管搭建的串口电平转换电路逻辑简单、成本低、维护方便，同时通过对应电阻、电容的合适匹配满足最高2Mbps的通信速率，可满足NB-IoT&Cat.1的串口电平转换应用的需求。
1、串口电平转换电路
1.1 参考电路
图1.1 电平转换电路
注：
1、二极管电路中需特别关注二极管方向。
2、如果模组内部无上拉，则二极管转换电路需要外部上拉，上拉电阻建议不低于10k。
3、本文档中MCU_TXD电平默认输出3V，VCC_EXT电平默认1.8V，后续不再赘述。
4、模组VCC_EXT电平具体数值参考模组硬件设计手册。
1.2 功能说明
二极管转换电路导通与截止说明
1、C1为去过冲电容，当输入信号存在过冲时，可减缓三极管截止速度，进而使输出波形上升沿变缓慢，如果输入信号无过冲时，可以去除C1电容。
2、R1为输出端上拉电阻，阻值越大导通功耗越低，但是波形上升沿越缓慢，如果输出端对应电路因为输入(寄生)电容大导致波形畸变较为严重时可适当减小R1阻值，但不可小于220Ω，防止三极管工作在放大区造成工作异常。
1.3 推荐选型
二极管推荐如下：
品牌：LRC 规格型号：LRB520S-30T1G 封装：SOD-523
图2.2 LRB520S-30T1G实物图
图2.3 LRB520S-30T1G正向压降特性
注：
1、二极管选型需注意串口低电平门限值，且保留余量。
2、上述推荐二极管型号正向压降实测25V。
三极管推荐如下：
品牌：CJ 规格型号：S8050 J3Y 封装：SOT-23
图2.4 S8050 J3Y实物图
图2.5 S8050 J3Y电气特性
注：三极管选型需关注转换速率是否能满足电路要求。
2、测试数据
本章节主要描述二极管电平转换电路和三极管电平转换电路在9600bps，115200bps，961200bps，2Mbps波特率下，电平转换电路的表现情况。
图2.1 二极管电平转换电路9600bps信号波形
图2.2 二极管电平转换电路115200bps信号波形
图2.3 二极管电平转换电路921600bps信号波形
图2.4 二极管电平转换电路2Mbps信号波形
图2.5 三极管电平转换电路9600bps信号波形
图2.6 三极管电平转换电路115200bps信号波形
图2.7 三极管电平转换电路921600bps信号波形
图2.8 三极管电平转换电路2Mbps信号波形
说明：
1、黄色为输入波形，绿色为输出波形。
2、115200bps(或以下)波形输出稳定，921600bps(或以上)无明显畸变，满足串口通信要求。
3、由于硬件器件，硬件测试设备等差异，用户产品的电平转换电路实际应用大于1Mbps时，建议用户进行相关串口波形验证测试，以上数据供参考。
3、测试结论
通过二极管、三极管搭建的串口电平转换电路逻辑简单、成本低、维护方便，同时通过对应电阻、电容的合适匹配满足最高2Mbps的通信速率，可满足NB-IoT&Cat.1的串口电平转换应用的需求。
