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2020-10
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經典MOS管電平轉換電路經驗分享
MOS管電平轉換電路
 

電平轉換在電路設計中非常常見,因為做電路設計很多時候就像在搭積木,這個電路模塊,加上那個電路模塊,拼拼湊湊連起來就是一個電子產品了。而各電路模塊間經常會出現電壓域不一致的情況,所以模塊間的通訊就要使用電平轉換電路了。

上圖是用MOS管實現的I2C總線電平轉換電路,實現3.3V電壓域與5V電壓域間的雙向通訊。掛在總線上的有3.3V的器件,也有5V的器件,通過這個電路,大家就可以愉快地玩耍聊天了。

實物對照圖如下。實物的上拉電阻用了4.7K歐姆,可以提供更大的電流驅動能力。在滿足電路性能的前提下,我喜歡用阻值更大的電阻,因為功耗更低更省電。


 

原圖分析

分四種情況:

1、當SDA1輸出高電平時:MOS管Q1的VGS = 0,MOS管關閉,SDA2被電阻R3上拉到5V。

2、當SDA1輸出低電平時:MOS管Q1的VGS = 3.3V,大于導通電壓,MOS管導通,SDA2通過MOS管被拉到低電平。

3、當SDA2輸出高電平時:MOS管Q1的VGS不變,MOS維持關閉狀態,SDA1被電阻R2上拉到3.3V。

4、當SDA2輸出低電平時:MOS管不導通,但是它有體二極管!MOS管里的體二極管把SDA1拉低到低電平,此時VGS約等于3.3V,MOS管導通,進一步拉低了SDA1的電壓。


注:低電平指等于或接近0V。

高電平指等于或接近電源電壓。所以3.3V電壓域的器件,其高電平為等于或接近3.3V;5V電壓域的器件,其高電平為等于或接近5V。

具體要求看芯片的數據手冊是怎么說明這個限定范圍的,常見的比如說0.3倍的“芯片供電電壓”以下為低電平,0.7倍的“芯片供電電壓”以上為高電平。
也就是說“芯片供電電壓”為5V的時候,5 x 0.3 = 1.5V 以下為低電平,5 x 0.7 = 3.5V 以上為高電平。


注意事項:

以上是3.3V與5V之間的情況,如果換用其他電壓域之間的轉換,如3.3V、2.5V、1.8V等電壓值的兩兩之間,需要注意MOS管的Vgs開啟導通電壓。

給MOS管過高的VGS會導致MOS管燒壞!給過低的VGS會導致MOS管打不開!不同型號的MOS管這個參數值還不一樣?。?!


再來看一下,設計電路時VGS可能設計過小的情況,下圖是2N7002的數據手冊:

實際使用時為保證完全開啟、完全導通,設計上要多預留余量,比如實際電路中VGS起碼給到1.8V。因為1.8V的設計參數接近數據手冊標注的1V臨界值,尤其注意用實驗驗證,確保萬無一失。


 

總結:

3.3V跟5V互轉的電路已經是一個經典電路,不像有些MOS管外型看起來跟2N7002一樣,但實際是大功率的,有部分性能規格浪費了,有部分性能規格又不一定能滿足需要,主要是還賊貴,具體其他MOS是怎樣的這里就不細究啦。



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