Level shifter ,电平转换器,就是将信号的电压(电平)一个电压域切换到另一个电压域,为什么需要电平转换?
手机AP更新换代,在低压化的趋势下(低压意味着更高的集成度、更低的功耗),GPIO的电源域从3.3V、1.8V一步步走到1.2V,后续甚至更低。而SIM卡,当前常用的有B类(3V)和C类(1.8V)卡。
AP和SIM卡电源域不同,现代手机必须兼容不同电压的SIM卡,电平转换器能够帮助实现两者之间的通信。


电平转换原理
电平转换的核心任务是在不改变信号逻辑(0还是1)的前提下,将信号幅度从一个电压域转换到另一个电压域。而且SIM卡与AP之间是双向通信,并且涉及到好几个脚(有来自AP的单向时钟CLK、复位RST,也有双方双向的I/O线)。总结下来就是:同相、双向、多管脚。
最简单的,我们可用MOSFET的自动双向电平转换电路来实现这个功能,其典型电路如下图所示:

电路中NMOS属于核心元件,要求其阈值电压Vth较低,且其栅极(G)、源极(S)、漏极(D)的耐压值足够。
但在现代手机中,这个电平转换功能通常不用上述分立电路来做。因为占地面积、性能、成本都不是最优的,而是被集成在一个专门的芯片中,这个芯片叫做Level shifter IC,如下是电路示意图:

当信号从AP端向SIM卡端传输时, 传输路径如下图所示:

当AP端电平从低电平到高电平变化时,Rising edge detection模块检测到信号的上升沿后经one shot电路进行脉冲整形,随后驱动推挽电路中的MOS管Q1打开,IO_sim端上呈现VCCB电平;当AP端电平从高电平到低电平变化时,Direction Control Circuit电路驱动MOS管Q2打开,IO_SIM呈现低电平。这样就实现了从AP到SIM卡端的电平转换。
当信号从SIM卡端向AP端传输时, 信号传输路径如下图所示:

当SIM端电平从低电平到高电平变化时,Rising edge detection模块检测到信号的上升沿后经one shot电路进行脉冲整形,随后驱动MOS 管Q3 打开,IO_HOST端呈现VCCA电平;当SIM端电平从高电平到低电平变化时,Direction
Control Circuit电路驱动MOS管Q4打开,IO_HOST端呈现低电平,这样就实现了从SIM卡端到AP端的电平转换。
RST、CLK信号电平转换过程同理,只实现信号的单向传输,内部框图更简单,在此不多加赘述。