レベル変換バススイッチの機能と制御方法

レベル変換バススイッチは、信号線の出力側回路と入力側回路で使用している電源電圧が異なる場合に使用します。
パソコンやスマートフォンはもちろん、家庭にある電気製品の中には電子回路を実装しているパッケージが搭載されています。パッケージ上では、一つの電源系統だけが使用されているとは限りません。
使用する電圧はデバイスやインターフェースによって異なり、2.5ボルトや3.3ボルト、近年は減りましたが5ボルトを使用するものも存在し、CPUのコア等は更に低い電圧が使用されています。
使用電圧が異なるデバイスの信号線を直接接続すると、デバイスへの流れ込みが発生し、場合によってはデバイス破壊に繋がる恐れがあります。それを防ぐために使用されるのがレベル変換バススイッチです。

配置する位置とディレクション制御について

レベル変換バススイッチは、入力側と出力側の中間に配置します。双方向のデータバスに用いる場合も同様ですが、双方向の場合はディレクション制御に注意する必要があります。
ディレクション制御とは信号の方向を制御することで、メーカーによって制御信号の名称は異なりますが、一般的にコントロール信号と呼ばれています。
例えばデータの流れをデバイスAからデバイスBの方向とする時は、デバイスBへ出力するためのバッファのコントロール信号をイネーブルとし、逆方向に設定する場合はデバイスAへ出力するバッファをイネーブルとします。
ディレクションの切り替えを行う際には、バスの衝突を防ぐため、イネーブルに設定する前には必ず反対側をディセーブルにします。バスの衝突が発生すると、状況によってはデバイスが故障する可能性もあります。

遅延時間やドライブ電流の考え方

使用の際には、遅延時間や出力電流も考慮する必要があります。
遅延時間はデバイスによって異なりますが、最低でも数ナノ秒程度の遅延が生じることになるため、スキューの規定が厳しい場合には、ある程度の余裕を持たせた設計が必要となります。
出力をオープンコレクタとしたい場合には、出力側に外付けのプルアップ抵抗を実装し、レベルを確定します。プルアップ抵抗の値は、ローレベル出力時を考慮し、最大出力電流の範囲内でドライブ可能な値とします。例えば出力可能な最大電流が5ミリアンペアで、5ボルトのインターフェースで利用する場合は、1キロオームより小さい抵抗を使用するとドライブ電流が足りずローレベルを確定することができないため、1キロオーム以上の抵抗を実装する必要があります。

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