Por que muitos eletrônicos operam em 5 e 3,3 volts?

Muitos aparelhos modernos usam uma conexão de energia de 5V. Internamente eles estão trabalhando com 3.3V. Não seria mais fácil ter 5V em todos os lugares?

Exemplos são muitos dispositivos USB ou roteadores (eles usam 5V para alimentação, mas 3,3V para comunicação serial).

5 V tornou-se muito usado em famílias lógicas primitivas, e especialmente em TTL. Enquanto o TTL é muito ultrapassado, agora todo mundo ainda fala sobre "níveis de TTL". (Eu até ouço UART descrito como "barramento TTL", que é um nome impróprio: é um canal de comunicação no nível lógico, mas pode ter uma voltagem diferente de 5 V.) No TTL 5 V, era uma boa opção para os pontos de ajuste dos BJTs e para uma imunidade a ruídos altos.

O nível de 5 V foi retido quando a tecnologia mudou para HCMOS (High-Speed ​​CMOS), com 74HC como a família mais conhecida; Os ICs 74HCxx podem operar em 5 V, mas o 74HCT também é compatível com TTL para seus níveis de entrada. Essa compatibilidade pode ser necessária em circuitos de tecnologia mista, e essa é a razão pela qual 5 V não será completamente abandonado em breve.

Mas o HCMOS não precisa dos 5 V, como os transistores bipolares do TTL. Uma tensão mais baixa significa menor consumo de energia: um IC HCMOS a 3,3 V normalmente consome 50% ou menos de energia do que o mesmo circuito a 5 V. Portanto, você cria um microcontrolador que executa internamente a 3,3 V para economizar energia, mas possui 5 VI / Os. (A E / S também pode ser tolerante a 5 V; então, ela funciona nos níveis de 3,3 V, mas não será danificada por 5 V em suas entradas. Ao lado da compatibilidade, 5 V também oferece uma melhor imunidade a ruídos.

E vai além. Trabalhei com controladores ARM7TDMI (NXP LPC2100) com um núcleo rodando em 1,8 V, com 3,3 VI / Os. A tensão mais baixa é uma economia de energia extra (apenas 13% de um controlador de 5 V) e EMI mais baixo também. A desvantagem é que você precisa de dois reguladores de tensão.

Portanto, essa é a tendência: tensões cada vez menores internamente para menor consumo de energia e EMI, e externamente uma tensão mais alta para melhor imunidade e conectividade a ruídos.

Certo. Mas lembre-se de que o consumo de energia aumenta com o quadrado da tensão. Aumentar a tensão usada de 3,3V para 5V aumenta o consumo de energia em 2,3 vezes. Portanto, existe um valor no uso da tensão mais baixa possível, mesmo que haja algumas perdas na fonte de alimentação devido à conversão.

A maioria dos eletrônicos possuía +5 disponíveis a bordo, mas, quando os circuitos exigiam apenas 3,3v, era mais fácil diminuir a tensão no chip do que exigir que os fabricantes reprojetassem suas fontes de alimentação e placas para adicionar 3,3v. A tensão mais baixa não apenas reduz o consumo de energia, mas em circuitos digitais de alta velocidade, leva menos tempo para mudar de um trilho para o outro.