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本帖最后由 Heaven_1 于 2022-7-1 18:37 编辑
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5 ]' V( X7 j, p; _6 F4 C6 V" c6 C* a8 l, ^( {
MOS管电平转换电路+ A/ y3 [0 J' n4 X2 u
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。& w# }' Q& M( t4 D5 V5 u
, N2 o& P P7 ~1 Q2 o0 J* `
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。3 k' f G; J% T; P4 ]6 a
0 F9 ?" }% V3 j2 K0 m# v: t
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。
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% g3 ]5 }1 U7 E8 l6 [* ^& g原理分析
! X6 W! P6 N9 }, Y7 d) x, j: t8 z简化来看，留下I2C的一根线来分析就可以了，如下图。
- l* J" ^5 Q" X$ z( O
. w. ~. k8 X8 Y9 C
- c" b! N" K( S. e& d0 d! V, F* S
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' u: v8 z* [% c/ r分四种情况：9 Q5 i( j2 a Z' z+ }
6 S# e. F4 C9 i6 G+ I7 W
1、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。
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7 s/ b& } J1 i. t5 G5 x2、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。
$ w" q6 K/ z/ s- _; ~" I
2 q/ |" p- O; ~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。$ R4 A" z- T O
; \9 a8 V% \+ c& ]4、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。! N' o1 l8 @6 q* ^* Z
9 m2 X# W$ M6 l" M$ P) Z; A
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。
- H: ?2 n, j; G9 L1 N* S9 x; q0 v9 W/ a" O! C1 e& e/ p
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。
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, t" G6 [0 l5 [. T7 H某一个芯片数据手册里关于高低电平的阈值范围说明
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6 c: u) Z; A" G. m
注意事项
! [4 e$ m X" \4 }1 s3 ^- ~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。
* ~) I) ] S d) O! I o
4 g k, d2 d# D4 \5 E. s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！！！
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: g! \2 z, ?8 M- I! b- A& n; [+ \& x, s3 q" f- F$ z
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* V+ [" I% O# r. P4 M, i
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： ' X5 i3 ^. K* f" G3 b' Q
: B0 A: |8 y/ n6 x d8 s0 b( c; Q
4 M. b& `- \0 ]# o$ I" k% p
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% ]- |& ^' i2 b# w+ S
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。) X2 t9 E/ w( h9 M
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总结: V" _0 S$ s" a5 N* B3 L) i4 J- i
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。9 A$ H2 D/ J2 g- g) T5 B b; V) k
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发表于 2022-7-1 15:01
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