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I2C, I3C 및 SPI용 4비트 레벨 변환기: ETEK ETF0104를 사용한 자동 양방향 0.95V~5.0V 전압 변환
2026/11/06 
에이 I2C용 4비트 레벨 시프터 다중 신호 주변 장치 버스는 0.95V, 1.2V 또는 1.8V 코어 I/O에서 작동하는 저전압 호스트 프로세서가 기존 3.3V 또는 5.0V 센서, EEPROM, 전원 관리 IC 및 통신 트랜시버와 안정적으로 통신해야 할 때마다 필수적입니다. 최신 SoC 및 FPGA는 전력 소비를 줄이기 위해 트랜지스터 구조를 축소하므로 I/O 뱅크는 더 이상 3.3V 또는 5.0V 풀업 전압을 직접 견딜 수 없으며 주변 장치에는 잡음 내성을 위해 여전히 더 높은 논리 임계값이 필요합니다.
소프트웨어 방향 제어나 부피가 큰 개별 MOSFET 어레이 없이 이러한 전압 영역을 연결하려면, ETEK 마이크로일렉트로닉스 개발한 ETF0104, 두 가지를 모두 지원하는 4채널 자동 양방향 다중 전압 레벨 변환기 오픈드레인 (I²C, I3C, MDIO, SMBus) 및 밀고 당기는 (SPI, UART, I2S, SDIO, DMIC, GPIO) 인터페이스 0.95V~3.3V ~ 1.62V~5.0V 최대 데이터 속도로 40MHz.
이 기사에서는 다음 내용을 학습합니다.
- 혼합 전압 I²C, I3C 및 SPI 버스에 자동 양방향 4비트 레벨 시프터가 필요한 이유
- ETF0104의 낮은 RON 패스 스위치 아키텍처가 DIR 핀 없이 신호를 위아래로 변환하는 방법
- 최대 데이터 속도 및 안전한 싱크 전류를 위한 풀업 저항 값을 계산하는 방법
- 패키지 옵션(TSSOP14, 2.0mm × 1.7mm QFN12, 1.6mm × 1.6mm QFN12) 및 PCB 레이아웃 지침
I2C 및 다중 신호 인터페이스용 4비트 레벨 변환기란 무엇입니까?
에이 I2C용 4비트 레벨 시프터 는 저전압 포트(A1~A4, REF_A를 참조)와 고전압 포트(B1~B4, REF_B를 참조) 사이에서 디지털 로직 레벨을 변환하는 4채널 양방향 전압 변환기 IC입니다. 4개의 독립적인 자동 방향 채널을 단일 패키지에 통합했기 때문에 하나의 IC는 호스트 MCU의 방향 제어 핀 없이도 2개의 개별 I²C 버스(SDA1/SCL1 및 SDA2/SCL2), I²C 버스와 2개의 인터럽트/리셋 GPIO 또는 완전한 4선 SPI/UART/I2S 인터페이스를 변환할 수 있습니다.
혼합 전압 버스 변환의 세 가지 엔지니어링 과제
1. 하드웨어 DIR 핀이 없는 방향 반전
I²C, I3C, MDIO 및 SDIO와 같은 프로토콜은 동일한 와이어에서 데이터를 양방향으로 전송합니다. 예를 들어 주변 장치가 SDA LOW를 당겨 컨트롤러가 주소 바이트를 전송한 후 즉시 ACK 비트를 보내는 경우입니다. 방향 제어 레벨 시프터는 전용 방향 신호 없이 충분히 빠르게 전환할 수 없는 반면, 버퍼링된 원샷 변환기는 동일한 IC에서 오픈 드레인 및 푸시풀 부하를 모두 구동할 때 종종 어려움을 겪습니다.
2. 높은 RON 및 채널 스큐로 인한 신호 무결성 손실
개별 MOSFET 레벨 시프터와 고임피던스 변환기는 수십 옴의 직렬 저항과 불일치 채널 지연을 발생시킵니다. 40MHz SPI, I3C 또는 I2S 오디오 클록과 같은 고속 인터페이스에서 과도한 온 저항(RON)은 낮은 수준의 출력 전압(VOL)을 증가시키고 잡음 마진을 저하시키며, 채널 간 스큐(tsk)는 클록과 데이터 라인 간의 설정 및 유지 타이밍을 손상시킵니다.
3. 소형 하드웨어의 보드 공간 및 라우팅 혼잡
개별 SOT-23 MOSFET과 8개의 풀업 저항기를 사용하여 4개의 양방향 레벨 변환 채널을 구현하면 상당한 PCB 면적을 소비하고 트레이스 스텁을 십자형으로 교차하게 됩니다. 소형 서버, 개인용 컴퓨터, 산업용 컨트롤러 및 웨어러블 허브에는 밀리미터 규모 패키지의 플로우 스루 핀아웃이 필요합니다.
ETF0104 4비트 레벨 변환기의 작동 방식
그만큼 ETF0104 2개의 레퍼런스 공급 핀으로 제어되는 전압 클램핑 패스 트랜지스터 스위치 아키텍처를 사용합니다.REF_A (VCCA, 저전압 측 0.95~3.3V) 그리고 REF_B (VCCB, 고전압 측 1.62V ~ 5.0V) - 액티브 하이 인에이블 입력(안에).
원활한 상향 번역 및 하향 번역 논리
에 자세히 설명된 대로 ETF0104 데이터시트(Rev 1.3), 각 채널(An ← Bn)은 포트의 순간 전압을 기반으로 스위치 상태를 자동으로 조정합니다.
| 신호 방향 | 입력 상태 | 패스 스위치 상태 | 전기적 기능성 |
|---|---|---|---|
| B에서 A로(하향 번역) | 10억 = 낮음 | 에 (낮은 임피던스) | 포트는 Bn 포트 전압과 일치하도록 low-RON 스위치를 통해 LOW로 풀링됩니다. |
| B에서 A로(하향 번역) | 10억 = 높음 | 끄다 (하이임피던스) | 스위치가 꺼집니다. 포트 전압은 VREF_A에서 안전하게 고정됩니다. |
| A에서 B로(상향 번역) | = 낮음 | 에 (낮은 임피던스) | Bn 포트는 An 포트 전압과 일치하도록 low-RON 스위치를 통해 LOW로 풀링됩니다. |
| A에서 B로(상향 번역) | 안 = 높음 | 끄다 (하이임피던스) | 스위치가 꺼집니다. Bn 포트는 하이사이드 풀업 전원(VPU)으로 풀업됩니다. |
EN = LOW일 때, 4개의 데이터 채널은 모두 고임피던스(Hi-Z) 상태, 전원 시퀀싱 또는 대기 중에 A측 및 B측 버스를 분리하고 0.01μA(통상) (최대 2μA) 셧다운 전류. 항상 활성화된 작업의 경우 EN을 REF_A에 직접 연결할 수 있습니다.
왜곡을 최소화하기 위한 초저 3.0Ω 온스테이트 저항(RON)
어느 쪽이든 LOW 라인을 당기면 ETF0104는 다음을 통과할 수 있는 예외적으로 낮은 저항 전도 경로를 제공합니다. 64mA 연속 패스 트랜지스터 전류 (IPASS, 절대 최대 정격 100mA):
- VCCA = 3.3V, VCCB = 5.0V(VI = 0V, IO = 64mA): 론 = 3.0Ω(통상) (최대 7.0Ω)
- VCCA = 2.5V, VCCB = 5.0V(VI = 0V, IO = 32mA): 론 = 3.0Ω(통상) (최대 8.0Ω)
- VCCA = 1.8V, VCCB = 3.3V(VI = 0V, IO = 3mA): 론 = 3.71Ω 일반 (최대 10Ω)
- VCCA = 1.2V, VCCB = 3.3V(VI = 0V, IO = 3mA): 론 = 4.52Ω(통상) (최대 10Ω)
- VCCA = 1.0V, VCCB = 5.0V(VI = 0V, IO = 64mA): 론 = 5.0Ω(통상) (최대 10Ω)
이렇게 낮은 RON은 I²C ACK 펄스 및 고속 푸시-풀 전환 중에 변환기 전체의 전압 강하를 무시할 수 있도록 유지하여 버스 양쪽에서 전체 VIL 잡음 마진을 보존합니다.
최대 40MHz 데이터 속도 및 나노초 미만의 전파 지연
ETF0104는 내부 래칭 버퍼가 없는 패시브 스위치 변환기이기 때문에 스위치를 통한 전파 지연이 매우 짧고 채널 간 스큐(tsk)가 매우 짧습니다. 0.2ns(통상) (최대 0.5ns):
- 하향 변환(3.3V → 1.8V, CL = 20pF): tPLH = 일반 0.3ns(최대 1.2ns); tPHL = 일반 0.4ns(최대 2.0ns)
- 하향 변환(5.0V → 3.3V, CL = 20pF): tPLH = 일반 0.8ns(최대 1.2ns); tPHL = 일반 0.4ns(최대 1.5ns)
- 상향 변환(1.8V → 3.3V, CL = 20pF): tPLH = 일반 0.6ns(최대 1.0ns); tPHL = 일반 1.2ns(최대 3.0ns)
- 상향 변환(1.2V → 1.8V, CL = 20pF): tPLH = 일반 1.1ns(최대 1.5ns); tPHL = 일반 1.7ns(최대 3.0ns)
- 최대 전송 주파수(fMAX): 최소 40MHz (RUP = 100Ω, CL = 30pF), 표준/고속/고속 모드와 I²C, I3C, MDIO, UART, I2S 및 SPI 인터페이스를 쉽게 포괄합니다.
ETF0104 주요 사양 및 패키지 비교
| 매개변수 | 테스트 조건 | ETF0104 사양(일반/최대) | 시스템 설계 이점 |
|---|---|---|---|
| 채널 | 자동 양방향(A1–A4 ← B1–B4) | 4채널(DIR 핀 필요 없음) | 2개의 I²C 버스 또는 1개의 4선 SPI/UART 버스를 변환합니다. |
| 로우사이드 공급(REF_A) | VCCA(시스템의 최저 전압) | 0.95V~3.3V(0.9V~5.5V 작동) | 1V 미만 및 1.2V/1.8V SoC와 직접 인터페이스 |
| 하이사이드 공급(REF_B) | VCCB(VCCB ≥ VCCA + 0.8V) | 1.62~5.0V(최대 5.5V 작동) | 1.8V, 2.5V, 3.3V 및 5V TTL/CMOS 버스 지원 |
| 온스테이트 저항(RON) | VCCA = 3.3V, VCCB = 5V, IO = 64mA | 일반 3.0Ω / 최대 7.0Ω | 최소 VOL 오프셋 및 신호 왜곡 |
| 최대 전송 속도(fMAX) | RUP = 100Ω, CL = 30pF | 40MHz | I²C, I3C, SPI, MDIO, UART, I2S, SDIO 지원 |
| 채널 간 스큐(tsk) | CL = 20pF / 50pF | 일반 0.2ns / 최대 0.5ns | 동기 버스에서 클록-데이터 타이밍을 보존합니다. |
| 대기/차단 전류 | ICC(EN = H) / Ioff(EN = L) | 보통 0.01μA(5μA / 최대 2μA) | 거의 0에 가까운 정적 전력 소비 |
| I/O 용량 | CIO(꺼짐)(EN = 0V) / CIO(켜짐)(EN = 3V) | 일반 4.0pF/일반 12pF | I²C/I3C 버스의 낮은 용량 부하 |
| ESD 및 래치업 등급 | JEDEC JS-001 / JS-002 / JESD78F | ±2000V HBM, ±1000V CDM, >±100mA 높음 | 산업 등급 견고성(-40°C ~ +85°C) |
세 가지 ETF0104 패키지 변형 모두 플로우 쓰루 핀아웃 (한쪽은 A1–A4, 반대쪽은 B1–B4) 직선 PCB 추적 라우팅을 단순화합니다.
| 부품 번호 | 패키지 유형 | 본체 치수 | 핀 피치 | GND / REF_A / REF_B / EN 핀 | A1-A4 / B1-B4 핀 | 포장 및 MSL |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ETF0104V | TSSOP14 | 5.0mm × 4.4mm | 0.65mm BSC | 핀 7(GND), 핀 2(REF_A), 핀 14(REF_B), 핀 8(EN) | 핀 3-6(A1-A4) / 핀 10-13(B1-B4) | 4K/릴, MSL 3 |
| ETF0104Y1 | QFN12 | 2.0mm × 1.7mm | 0.40mm TYPE | 핀 6(GND), 핀 1(REF_A), 핀 11(REF_B), 핀 12(EN) | 핀 2-5(A1-A4) / 핀 7-10(B1-B4) | 3K/릴, MSL 1 |
| ETF0104Y4 | QFN12 | 1.6mm × 1.6mm | 0.40mm NOM | 핀 5(GND), 핀 12(REF_A), 핀 10(REF_B), 핀 11(EN) | 핀 1-4(A1-A4) / 핀 6-9(B1-B4) | 3K/릴, MSL 1 |
(참고: TSSOP14에서는 ETF0104V, 핀 1과 9는 NC [연결되지 않음]. 그림 1과 핀 기능 표를 참조하십시오. ETF0104 데이터시트 PCB 풋프린트를 생성할 때.)
풀업 저항기 선택 및 PCB 설계 지침
- VCCA(REF_A)를 최저 공급 전압으로 유지합니다.REF_A는 내부 스위치 클램핑 임계값을 설정하고 항상 가장 낮은 인터페이스 전압(0.9V ≤ VCCA ≤ 5.5V)에 연결되어야 하는 반면, REF_B는 더 높은 공급 장치(표준 바이어스 구성에서 VCCB ≥ VCCA + 0.8V)에 연결됩니다.
- 상향 변환과 하향 변환을 위한 풀업 저항 구성:
- 상향 번역(A에서 B로): 하이사이드 풀업 전원(VPU ≤ VCCB)에 대한 풀업 저항기(RB)는 다음과 같습니다. B면에는 항상 필요합니다. An이 HIGH가 되면 패스 스위치가 꺼지기 때문입니다. A측(RA)의 풀업 저항은 A측 드라이버가 오픈 드레인(예: I²C)이거나 입력 누출이 1μA를 초과하는 경우에만 필요합니다.
- 하향 변환만 해당(푸시풀 드라이버를 사용하여 B에서 A로): 채널이 푸시풀 B측 송신기에서 저누설(< 1μA) CMOS A측 수신기로만 하향 변환되는 경우 해당 채널에서 외부 풀업 저항기를 생략할 수 있습니다.
- 드라이버 싱크 전류(IOL)에 대한 균형 데이터 속도:
- 최대 데이터 속도는 상승 에지 동안 B측 RC 시간 상수에 의해 결정됩니다. fMAX ≒ 1 / (6 × RB1 × CB1)
- 라인을 LOW로 풀링할 때 액티브 드라이버는 두 풀업 저항기의 결합된 전류를 싱크해야 합니다. IOL ≒ (VCCA / RA1) + (VCCB / RB1)
- 표준 400kHz~1MHz I²C 버스의 경우 풀업 값은 1kΩ 및 4.7kΩ I²C 드라이버 제한 내에서 싱크 전류를 유지하면서 깨끗한 상승 에지를 제공합니다. 고속 멀티 메가헤르츠 링크의 경우 저항 값이 낮을수록(최저 100Ω~220Ω) 상승 시간이 줄어듭니다(RUP = 220Ω, CL = 50pF에서 tR 10ns).
- REF_B와 REF_A를 로컬로 분리합니다. 장소 0.1μF 세라믹 필터 커패시터 빠른 다중 채널 스위칭 중에 바이어스 기준을 안정화하기 위해 REF_B 및 REF_A 핀에 가깝습니다.
2채널 또는 8채널 번역기 또는 전용 SIM 카드 인터페이스가 필요합니까? 탐색 ETF0102 2비트 양방향 레벨 시프터, 다음 기사를 읽어보세요. ETS0108 8채널 양방향 레벨 시프터 그리고 ET4559 SIM 카드 레벨 변환기, 또는 ETEK의 전체 내용을 찾아보세요 레벨 시프터 IC 제품 라인.
자주 묻는 질문
ETF0104가 I2C 및 I3C 버스용 4비트 레벨 시프터로 적합한 이유는 무엇입니까?
ETF0104는 두 가지를 모두 지원하는 패시브 로우 RON(보통 3.0Ω) 스위치 아키텍처를 사용합니다. 오픈드레인과 푸시풀 방향 제어 핀 없이 신호를 보냅니다. I²C ACK 핸드셰이크 또는 I3C 동적 스위칭 중에 버스 경합을 일으킬 수 있는 내부 원샷 출력 드라이버가 없기 때문에 신호는 나노초 미만의 지연으로 양방향으로 흐릅니다.
하나의 ETF0104가 오픈 드레인 I2C 라인과 푸시풀 GPIO 또는 SPI 신호를 동시에 변환할 수 있습니까?
예. 4개 채널(A1–A4 ← B1–B4)은 모두 공유 REF_A 및 REF_B 전압 도메인 사이에서 독립적으로 작동합니다. 예를 들어 두 채널은 양쪽에 풀업 저항이 있는 오픈 드레인 I²C 버스(SDA, SCL)를 변환할 수 있고, 나머지 두 채널은 푸시풀 인터럽트, 칩 선택 또는 UART 신호를 변환할 수 있습니다.
ETF0104가 지원하는 최소 전압은 얼마입니까?
저전압 레퍼런스 공급 REF_A(VCCA)는 다음과 같은 양방향 변환을 지원합니다. 0.95V (애플리케이션 작동 조건이 0.9V ~ 5.5V로 지정됨), REF_B(VCCB)는 1.62V ~ 5.0V (최대 5.5V). 이를 통해 1.0V/1.2V/1.8V 코어 로직과 1.8V/2.5V/3.3V/5.0V 주변 장치 간의 직접 변환이 가능합니다.
전원을 켜고 끄는 동안 EN 핀은 어떻게 동작합니까?
EN 핀을 LOW(VIL(EN) ≤ 0.3 × VCCA)로 풀링하면 A측 및 B측 I/O 포트 4개가 모두 고임피던스(Hi-Z) 상태가 되고 차단 전류는 0.01μA(통상). EN HIGH(VIH(EN) ≥ 0.7 × VCCA)를 당기거나 EN을 REF_A에 직접 연결하면 모든 채널에서 양방향 변환이 가능합니다.
결론: 작은 설치 공간으로 유연한 4채널 전압 변환
0.95V~5.0V 도메인에 걸쳐 2개의 I²C 버스, I3C 센서 인터페이스 또는 4선 SPI 링크를 브리징하는 경우 ETF0104 왜곡이 적고 방향성이 없는 신호를 제공합니다. I2C용 4비트 레벨 시프터 TSSOP14 및 초소형 QFN12 패키지의 푸시풀 인터페이스.
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