Perché molti dispositivi elettronici funzionano a 5 e 3,3 volt?

Molti apparecchi moderni utilizzano una connessione di alimentazione a 5 V. Internamente stanno lavorando con 3.3V. Non sarebbe più facile avere 5V ovunque?

Esempi sono molti dispositivi USB o router (usano 5 V per l'alimentazione ma 3.3 V per la comunicazione seriale).

5 V divenne molto usato nelle prime famiglie logiche, in particolare il TTL. Mentre il TTL è molto passé, ora tutti parlano ancora di "livelli TTL". (Sento persino UART descritto come "bus TTL", che è un termine improprio: è un canale di comunicazione a livello logico, ma potrebbe anche essere una tensione diversa da 5 V.) In TTL 5 V era una buona scelta per i setpoint dei BJT e per un'elevata immunità al rumore.

Il livello a 5 V è stato mantenuto quando la tecnologia è passata a HCMOS (CMOS ad alta velocità), con 74HC come famiglia più nota; I circuiti integrati 74HCxx possono funzionare a 5 V, ma il 74HCT è compatibile TTL anche per i suoi livelli di ingresso. Tale compatibilità può essere richiesta nei circuiti a tecnologia mista, ed è per questo motivo che 5 V non sarà completamente abbandonato presto.

Ma HCMOS non ha bisogno di 5 V come i transistor bipolari di TTL. Una tensione più bassa significa un consumo di energia inferiore: un IC HCMOS a 3,3 V consuma in genere il 50% o meno di energia rispetto allo stesso circuito a 5 V. In questo modo crei un microcontrollore che gira internamente a 3,3 V per risparmiare energia, ma ha 5 VI / Os. (L'I / O può anche tollerare 5 V; quindi funziona ai livelli di 3,3 V, ma non verrà danneggiato da 5 V sui suoi ingressi. Accanto alla compatibilità, 5 V offre anche una migliore immunità al rumore.

E va oltre. Ho lavorato con controller ARM7TDMI (NXP LPC2100) con un core in esecuzione su 1,8 V, con 3,3 VI / O. La tensione più bassa è un ulteriore risparmio energetico (solo il 13% di un controller a 5 V) e anche una EMI più bassa. Lo svantaggio è che sono necessari due regolatori di tensione.

Quindi questa è la tendenza: tensioni interne sempre più basse per un minor consumo energetico ed EMI, e esternamente una tensione più alta per una migliore immunità al rumore e connettività.

Sicuro. Ma ricorda che il consumo di energia aumenta con il quadrato della tensione. L'aumento della tensione utilizzata da 3,3 V a 5 V aumenta il consumo di energia di 2,3 volte. Pertanto, è utile utilizzare una tensione il più bassa possibile, anche se si verificano alcune perdite nell'alimentazione dalla conversione.

La maggior parte dei componenti elettronici disponeva di +5 disponibili a bordo ma, quando i circuiti richiedevano solo 3,3 v, era più facile far cadere la tensione sul chip piuttosto che richiedere ai produttori di riprogettare i loro alimentatori e le schede per aggiungere 3,3 v. La tensione inferiore non solo riduce il consumo energetico, ma nei circuiti digitali ad alta velocità ci vuole meno tempo per oscillare da una guida all'altra.