EDA365电子论坛网

标题: 经典MOS管电平转换电路 [打印本页]
作者: chenbeihai1023    时间: 2022-7-1 15:01
标题: 经典MOS管电平转换电路
本帖最后由 Heaven_1 于 2022-7-1 18:37 编辑 7 J% d3 ]3 y; W" C7 U( h1 A

# W' Y# ?* w9 D2 S% Y
, s( I. M  |! o# g& l5 W% V
- X: w6 |# C1 r# s6 b' n+ fMOS管电平转换电路4 z- e2 H+ j- N* \2 l# k
电平转换在电路设计中非常常见，因为做电路设计很多时候就像在搭积木，这个电路模块，加上那个电路模块，拼拼凑凑连起来就是一个电子产品了。而各电路模块间经常会出现电压域不一致的情况，所以模块间的通讯就要使用电平转换电路了。3 c/ r* E- N5 @: J5 \% K
+ c, m( A8 q$ c* R' M  |
上图是用MOS管实现的I2C总线电平转换电路，实现3.3V电压域与5V电压域间的双向通讯。挂在总线上的有3.3V的器件，也有5V的器件，通过这个电路，大家就可以愉快地玩耍聊天了。+ B  A* E" J. n& V; I& U. G! b
# ?2 M" `& i6 G( ?
实物对照图如下。实物的上拉电阻用了4.7K欧姆，可以提供更大的电流驱动能力。在满足电路性能的前提下，我喜欢用阻值更大的电阻，因为功耗更低更省电。
4 v' p  \' K5 j. [
1 w& X  K. a( ~3 T: o9 `原理分析
7 _& N8 g/ X) H1 r7 n3 p2 I简化来看，留下I2C的一根线来分析就可以了，如下图。
' h7 ~3 _0 ^/ s; R
) |0 T5 m5 c( E! X" @( B8 g. q  i4 O  B! ~" P

0 x4 u9 |; ~5 ?8 n* ]% k: k) f  Z! @
; n/ M# f5 @6 g
分四种情况：, I7 K5 }( t# \- v+ e% l7 u

3 l& z+ L' B, x5 H/ @% R1、当SDA1输出高电平时：MOS管Q1的Vgs = 0，MOS管关闭，SDA2被电阻R3上拉到5V。  ^: c) a/ U# S; @
: B2 Z! l9 h9 B" m6 v$ m$ k
2、当SDA1输出低电平时：MOS管Q1的Vgs = 3.3V，大于导通电压，MOS管导通，SDA2通过MOS管被拉到低电平。( ~$ d8 x: J& X! k/ W& v
& f" b& D; B3 ?8 K6 L# O/ ^/ r
3、当SDA2输出高电平时：MOS管Q1的Vgs不变，MOS维持关闭状态，SDA1被电阻R2上拉到3.3V。% l; Y; S: c$ u3 v* N1 @/ k

3 R1 {9 ^8 T& W8 x4、当SDA2输出低电平时：MOS管不导通，但是它有体二极管！MOS管里的体二极管把SDA1拉低到低电平，此时Vgs约等于3.3V，MOS管导通，进一步拉低了SDA1的电压。& D. {+ k$ ?1 ~4 I4 c$ i: P
7 _2 F  ^# {5 ]2 ~( \, k9 d! U
注：低电平指等于或接近0V。高电平指等于或接近电源电压。所以3.3V电压域的器件，其高电平为等于或接近3.3V；5V电压域的器件，其高电平为等于或接近5V。6 g1 _7 M8 D0 Y
$ _" B. N* p0 P* w2 t
具体要求看芯片的数据手册是怎么说明这个限定范围的，常见的比如说0.3倍的“芯片供电电压”以下为低电平，0.7倍的“芯片供电电压”以上为高电平。也就是说“芯片供电电压”为5V的时候，5 x 0.3 = 1.5V 以下为低电平，5 x 0.7 = 3.5V 以上为高电平。
/ ^! U  T4 F& S( w$ |6 m$ o, o" O' j  D; `3 g; A) b6 G
3 ~; d  L5 y1 C& O9 a
某一个芯片数据手册里关于高低电平的阈值范围说明
8 ^, Y9 R( {$ m
: b2 ?6 {2 B( _3 v' }
8 v" W" @9 f" M注意事项
2 E. }6 t- s$ B' Y以上是3.3V与5V之间的情况，如果换用其他电压域之间的转换，如3.3V、2.5V、1.8V等电压值的两两之间，需要注意MOS管的Vgs开启导通电压。
+ n; `% r! Q, F) ]% h, C3 H) F) Y$ J& _4 E
给MOS管过高的Vgs会导致MOS管烧坏！给过低的Vgs会导致MOS管打不开！不同型号的MOS管这个参数值还不一样！！！/ T/ u7 e7 }8 p: q' _9 \
: Q, z& b+ r7 E
, A7 I4 W7 g8 e, n# m" j
举例：其中一个厂家生产的2N7002的数据手册，Vgs不能超过正负20V
* w0 M% e& h# X9 V) l9 O& I) X+ a4 Q, w再来看一下，设计电路时Vgs可能设计过小的情况，下图是2N7002的数据手册：
# Q2 N9 e/ P. \  k/ ^8 g7 ~
4 I8 K  b9 z1 |; F. L9 o' e: z/ w$ p! @& e6 ]$ b9 c& m
举例：其中一个厂家生产的2N7002的数据手册，Vgs的开启电压为1V
1 M( K8 t3 ], k" v, f/ i* c1 P6 X 实际使用时为保证完全开启、完全导通，设计上要多预留余量，比如实际电路中Vgs起码给到1.8V。因为1.8V的设计参数接近数据手册标注的1V临界值，尤其注意用实验验证，确保万无一失。$ ?* W+ b8 |; U. M5 N- V% G: x2 m

5 Y7 L  b& L3 F# g" Q# J7 s总结
4 p$ \7 R0 R1 J- L  \3.3V跟5V互转的电路已经是一个经典电路，实在是硬件设计师居家旅行、护院看家，必备良药！MOS管型号就记住用2N7002，这个型号便宜，性能久经考验，不像有些MOS管外型看起来跟2N7002一样，但实际是大功率的，有部分性能规格浪费了，有部分性能规格又不一定能满足需要，主要是还贼贵，具体其他MOS是怎样的这里就不细究啦。
: S0 ^2 b3 m' c' \3 b; @$ T————————————————- g* W" U* s: i) d+ ^! ~' L, N
1 `5 J3 L, h/ x- [
  N  F4 r) |% Y! p2 Z
作者: aid4her    时间: 2022-7-1 17:41
电路模块间经常会出现电压域不一致的情况，电平转换电路就是针对模块间的通讯
作者: i265    时间: 2022-7-1 21:05
如果串口 TX RX能不能双向通讯
作者: bazhonglei    时间: 2022-7-5 11:35
理论虽美好，但是还要考虑信号工作频率，信号上升沿下降沿，特别是对高速信号。MOS的结电容、寄生电容不容忽视
作者: chenbeihai1023    时间: 2022-7-11 14:31
aid4her 发表于 2022-7-1 17:41& l" [, |0 j; w
电路模块间经常会出现电压域不一致的情况，电平转换电路就是针对模块间的通讯

  R. [$ a2 a5 S! _- |6 `是的，针对不同电平通讯会搭建电平转换，确保通行正常。
% I% R4 o1 A! }8 W" I$ |2 P
作者: chenbeihai1023    时间: 2022-7-11 15:57
i265 发表于 2022-7-1 21:05
8 n/ d' S9 f% c- I4 |% `' C! d. c如果串口 TX RX能不能双向通讯

/ ^: }" F- F# e) P. V: P不行，USB转TTL除了需要做电平转换，还需要做协议装换（USB 通信协议-标准UART 串行通信协议），所以必须要有转换芯片。# p/ b+ l" ?: V. @  f
作者: hwyucccccc    时间: 2024-3-28 09:23
用这个电路搭的3.3V和1.8V的电平转换，出现了1.8V端信号有过冲是啥问题。按理我的发送和接收端都加了匹配电阻的
作者: 6940    时间: 2024-4-7 14:00
可以免费送样吗?  e6 W5 O# u% @1 N/ V9 s

: m! ?2 T" s' E) ^2 r, h



欢迎光临 EDA365电子论坛网 (https://bbs.eda365.com/) Powered by Discuz! X3.2