MOS 电平转换电路故障

bazhonglei

radioes8 发表于 2025-4-20 22:38
$ C0 [5 `& b3 u, L, u% C看了几遍您的帖子，还是没有看到重点。能详细帮忙解释下吗？
7 ?- e5 U& Z3 U% c' |0 I5 l1.目前看到饱和导通条件，要求VDS 大于(VGS ...

换个思路！假定MOS管截止，输入为0，那么VS是不是0.6V？那VGS就是1.8-0.6=1.2V，你的手册上VT最大1.1V，是不是很接近？另外你的MOS管显然要工作在开关模式，要工作在左侧和最下面两个区，也就是电阻区和截止区，条件是VG>VT，VDS<VG-VT和VG<VT，而不是你理解的饱和区。至于手册标的有没有水分，脱离开此电路，重新搭电路批量测一下就MOS就行，就测不良的，看看VGS=1.1是否能

超級狗

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radioes8 发表于 2025-4-20 22:38
# @) _8 H( K, Z7 x& {# p9 o, z/ J: n看了几遍您的帖子，还是没有看到重点。能详细帮忙解释下吗？
  i6 J) |! `- C: ]1.目前看到饱和导通条件，要求VDS 大于(VGS ...

狗弟想了一下該怎麼解釋會比較容易懂，咱們就先從臨界電壓（Threshold Voltage）的定義及測試方式開始吧！
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' l; `, \# E5 ^. D, E3 C* u% Q

V_GS(th) 和 V_DS v.s. I_D 曲線都是用 SMU (Source Meter Unit) 量測的。

3 j( p) R, M0 k, ]: h' cMOSFET 臨界電壓（Threshold Voltage）V_GS(th) 定義

V_DS = V_GS 情況下，I_D ≥ 250μA 的 V_GS 電壓。（注意 Datasheet 上面有寫測試條件 V_DS = V_GS。）

3 S5 O; D" ]4 a* _

臨界電壓（Threshold Voltage）V_GS(th) 的量測方式（僅為舉例說明，實際量測方式看儀器的作法。）；

• V_DS = V_GS = 0.1V，檢查 I_D 電流是否等於或大於 250μA。
• V_DS = V_GS = 0.2V，檢查 I_D 電流是否等於或大於 250μA。
• V_DS = V_GS = 0.3V，檢查 I_D 電流是否等於或大於 250μA。
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…

..

.

參照之前線性區（Linear Region）及飽和區（Saturation Region）附圖，測試就是約略沿著二區域中間那條藍色虛線分界一路測上去。只要你可以找到一個 V_GS 電壓點能讓 I_D ≥ 250μA，你就能宣稱那是臨界電壓（Threshold Voltage）V_GS(th)。由於每顆 MOSFET 單體多少都會有些差異，所以就會得到類似 V_GS(th) = 0.7V ~ 1.1V 這種結果。

超級狗

超級狗 发表于 2025-4-21 11:12
狗弟想了一下該怎麼解釋會比較容易，咱們就先從臨界電壓（Threshold Voltage）的定義及測試方式開始吧！
; ]$ @2 v4 }6 [# p! X ...

) [. H9 b) _/ w! M, h如果有顆 N-Channel MOSFET 的規格宣稱臨界電壓（Threshold Voltage）V_GS(th) = 1.1V，但 Datasheet 中的 V_DS v.s. I_D 曲線，最低卻只有 V_GS = 2.5V，這代表何意？
2 T) {% N/ [- R4 h: G1 Q
那表示 SMU (Source Meter Unit) 在 V_GS < 2.5V 時，是掃描不出這些曲線的。我們可以了解，在 V_DS 高電壓時不會是問題，因為 V_GS(th) = 1.1V、這個電壓遠低於 2.5V，V_GS = V_DS = 1.1V MOSFET 就會導通了，V_DS 更大不會是問題。問題會出現在 V_DS 低電壓的部分，即虛線左側的線性區（Linear Region）。
1 v/ [0 t2 h4 c) o2 X
# m2 O2 N( @) ~3 ]% Y4 u簡單來說 V_GS(th) = 1.1V 僅表示在 V_DS = V_GS = 1.1V 這個點能導通；但不代表 V_DS < 1.1V 時，N-Channel MOSFET 有辦法穩定導通。而 MOSFET 導通時的內阻 R_DS(on) 很小、V_DS ≈ 0V，這個工作點在 V_DS v.s. I_D 曲線中，會非常靠近 X 軸及原點的地方。如果沒有低於 V_GS = 1.8V 對應曲線就意謂著，即便規格是 V_GS(th) = 1.1V，MOSFET 在 V_GS = 1.8V 且 V_DS < 1.8V 的狀況下是無法穩定導通的。

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0 B" g. k- z, B
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超級狗

超級狗 发表于 2025-4-20 23:35
樓主大人：
要詳細寫得花點時間，我找時間再給完整的答覆。但可以給您幾個提示，您先想一下！

小弟一開始請樓主比對暗蝦密（On-Semiconductor）NTA4153N 的規格，看能否發現一些差異，現在您再看一次、就會有感覺了！

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1 k; G1 X4 T" @1 @) E6 A

再见海贼王

bazhonglei 发表于 2025-4-18 11:37
输入为0，由于VGS=0，MOS管截止，但是由于体二极管的存在，导致VS=0.6V，此时VD=0，VG=1.8V，VT=1.1V，VGD> ...

& i7 ?7 P9 h$ P1 Q. P个人觉得，小电流时，二极管压降随电流变化比较明显，不能简单的定义为0.6V；只能说有可能处于饱和区，具体值需要知道MOS管工艺参数假设处在某个区来计算。这种最好实测或者仿真，要不就留大余量。

超級狗

1 J0 M+ ]/ R3 \8 v/ X$ y6 m

超級狗 发表于 2025-4-21 12:07
* ]9 x! l: p! }0 r8 A$ [如果有顆 N-Channel MOSFET 的規格宣稱臨界電壓（Threshold Voltage）V = 1.1V，但 Datasheet 中的 V v.s ...

案例分享

之前任職過的公司，也有工程師隨便選擇了 AOS (Alpha and Omega Semiconductor) 的某個 N-Channel MOSFET 型號，搭配 2.2KΩ 的 Pull-Up 電阻，用來設計 3.3V to 5V I²C Level Translator 電路。當時也遭遇到無法正常工作的問題，但我們把 Pull-Up 電阻降低至 240Ω 後，這個電路就能動作了。

* K2 N/ v8 i) t& _& F8 a5 D為什麼 Pull-Up 電阻 ≤ 240Ω 後就能動作了？

因為 MOSFET 沒完全導通，通道電阻 R_DS 很大（不寫 R_DS(on) 是因為 MOSFET 沒完全打開，不能被稱為 On 的狀態。）。但 Pull-Up 電阻降低後，和通道電阻 R_DS 接近了，分壓後會將 V_DS 電壓拉高，此時 N-Channel MOSFET 就有機會進入導通區域了。（僅是有機會，不代表一定會！）

但這個改變會讓電路很耗電，僅建議作為測試或暫時的補救措施。正確的作法還是應該選擇適當規格的 N-Channel MOSFET，或是使用專用的 Level Translator IC。

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radioes8

超級狗 发表于 2025-4-21 12:07
$ V4 N5 u- J( R7 v如果有顆 N-Channel MOSFET 的規格宣稱臨界電壓（Threshold Voltage）V = 1.1V，但 Datasheet 中的 V v.s ...

# r5 S. {( v& a2 ^- n" K3 Z回复不了，不知道为什么。
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超級狗

radioes8 发表于 2025-4-22 23:20
2 k" Z( ?+ P3 ~. r回复不了，不知道为什么。

4 ^2 d% t% A2 P: O: I: o樓主大人：
2 {4 @, n, u' v' c5 v: ?, D( u) [您的標題是寫「故障」，想請教一下。

• 電路一開始是能正常工作，後來才不能動嗎？
• 確認是 MOS 管單體壞了嗎？
    Q% U. K, ^% ]( A& s' L

, ^9 M: W; G  i
+ O+ j$ H3 l8 w" j5 }8 }6 ~7 ^

超級狗

radioes8 发表于 2025-4-22 23:20
! l4 U% X# Y4 p/ A0 I回复不了，不知道为什么。

3 }* j6 H. ~0 l- ]
& k! |$ ^: p2 d; z3 k7 T( {V_GS v.s. R_DS(on) 曲線不是每家都會提供，暗蝦密（On-Semiconductor）NTA4153N 就沒有，但可以比對虐死批你呀（Nexperia）BSH103 的曲線。

我有點懷疑你貼圖裏面，V_DS v.s. I_D 中那條 V_GS = 1.5V 的線，R_DS(on) 測試是不限制 V_DS 電平的，它是卡導通電流 I_D 。畫得出 I_D 曲線、卻畫不出 R_DS(on) 曲線，令人費解！意思是說，V_DS 低壓的時候 I_D  沒問題 ；但在 V_DS 高壓的時候，R_DS(on) 卻有問題。
4 i1 E- X$ {2 q# F
& M, \# w7 c' R3 n# i+ r1 _6 d1 V2 x你看虐死批你呀（Nexperia）BSH103 的 V_GS v.s. R_DS(on) 曲線，人家就老老實實的畫到 V_GS = 1.4V 左右。從 R_DS(on) 曲線看，感覺您的 MOS 管在  V_GS = 1.8V 時，都還在要開、不開的狀態。（請參考截圖標示的紅色參考線）
. Q8 o) E% M2 G3 C& U9 [
另一點是，MOS 管壞掉和電路不會動是兩回事，這點得先釐清！

超級狗

radioes8 发表于 2025-4-22 23:20
6 o( L! I  H- _, k- R+ {! z回复不了，不知道为什么。

" ]1 C) @6 c2 G, l: h/ P1 |, L) K# L小弟也怕自己的觀念有錯，特地去問了人工腦殘。它說樓主這顆 MOS 管，不適合 1.8V 和 3.3V 間的 I²C 電平轉換應用。

當小弟再度追問其關鍵原因，它給了下列幾點結論。

+ G- e  O6 C% a6 @3 S人工腦殘結論

• V_GS v.s. R_DS(on) 曲線圖顯示， MOS 管在 V_GS = 2V 左右才打開。
• 只要 Datasheet 沒有列出 R_DS(on) @ 1.8V，基本上就不要指望它能在 1.8V 下穩定導通。
  7 R( W! D: }1 H+ a) N' `
  

其實這就是我和龍大看法相近之處，你至少要敢寫、我才信你！
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% a0 m3 }# ?0 ?8 h  z/ u& E0 {
3 N4 R( y; T% y7 ^* i; V
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huo_xing

超級狗 发表于 2025-4-23 10:35
# B# O  b9 F3 w3 h( ~. R小弟也怕自己的觀念有錯，特地去問了人工腦殘。它說樓主這顆 MOS 管，不適合 1.8V 和 3.3V 間的 IC 電平 ...

* i" v' G( G- G, {7 M! H8 U* }狗大，逻辑反了。是没有写的不能相信。写了不一定行。
手册中有只是我们甩锅的对象，项目找人背锅能证明不是我们问题。

radioes8

超級狗 发表于 2025-4-23 07:35
- t  O5 \4 s6 M' T樓主大人：
您的標題是寫「故障」，想請教一下。

  w6 N# ?' P* @0 h产品是使用一段时间之后才故障的，使用之前是好的。管子对照规格书测试相关参数，反馈是OK 的。

radioes8

超級狗 发表于 2025-04-23 08:46:17

* [3 \4 S, J* z


+ G6 d; W  s. p+ A" a3 ~9 P' wV_GS v.s. R_DS(on) 曲線不是每家都會提供，暗蝦密（On-Semiconductor）NTA4153N 就沒有，但可以比對虐死批你呀（Nexperia）BSH103 的曲線。
2 M/ |9 s+ F4 t4 [. ]( B
- V+ C4 r0 K, B9 Q5 k我有點懷疑你貼圖裏面，V_DS v.s. I_D 中那條 V_GS = 1.5V 的線，R_DS(on) 測試是不限制 V_DS 電平的，它是卡導通電流 I_D 。畫得出 I_D 曲線、卻畫不出 R_DS(on) 曲線，令人費解！意思是說，V_DS 低壓的時候 I_D  沒問題 ；但在 V_DS 高壓的時候，R_DS(on) 卻有問題。

" {- N3 |+ C4 U. K你看虐死批你呀（Nexperia）BSH103 的 V_GS v.s. R_DS(on) 曲線，人家就老老實實的畫到 V_GS = 1.4V 左右。從 R_DS(on) 曲線看，感覺您的 MOS 管在  V_GS = 1.8V 時，都還在要開、不開的狀態。（請參考截圖標示的紅色參考線）

, x3 b  \4 }) q4 W另一點是，MOS 管壞掉和電路不會動是兩回事，這點得先釐清！
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4 O& T2 n% v3 ]7 e* ~

) U% z5 @0 ]$ t' S) n) H
我好像被限制发言了

) [& U2 @7 ]( R, p1 s9 l2 Y

超級狗

radioes8：
# L6 \, T! X* M9 U* Q" f产品是使用一段时间之后才故障的，使用之前是好的。管子对照规格书测试相关参数，反馈是OK 的。

; r/ s7 X6 t9 z3 a2 \. K如果檢查 MOS 管特性是正常的，那有可能是老化、環境...等因素造成參數漂移後產生的異常。
0 ]: Y8 n' @, v3 S% x
除了狗弟之前降低上拉（Pull-Up）電阻值的經驗外，器件規格也告訴我們，溫度降低、導通電阻 R_DS(on) 也會跟著降低，也可以噴冷凍劑在不良 MOS 管上試試，或吹風機加熱正常的 MOS 管。但這些手段僅是驗證測試，不能作為解決方案。
' E+ O; f, t; _
; C0 ^& G" l! Q1 F' N8 c單從供應商的規格來看，他們並不保證 1.8V 下能正常動作，最好能換成虐死批你呀（Nexperia）BSH103。
- d" O$ q* M3 N
關於這個電路在 1.8V 應用的風險，小弟在下一貼回您。
5 X& W# W, @  q  i3 |
僅為個人建議！

附註：
& k5 K- C8 T2 s8 u我查看用戶設定，您並未被限制發言。

超級狗

radioes8 发表于 2025-4-23 21:34
产品是使用一段时间之后才故障的，使用之前是好的。管子对照规格书测试相关参数，反馈是OK 的。

潛在風險
上述討論僅侷限在 N-Channel MOSFET 導通的問題上，這些要求僅能保證電路最基本的正常動作，但大多數人都不會去量測 I²C 的特性。其實在國外的討論網站上，這個電路都只建議使用在 3.3V 和 5V 間的 I²C 電平轉換。然而華人卻很聰明的，把它照抄到 1.8V 和 3.3V 的應用上。

4 |  ^; S& o+ I+ y4 x4 Q6 h: {由於 1.8V 已經接近 N-Channel MOSFET 的最低工作電壓了，對於 > 100KHz 的高速應用，上升時間（Rising Time）及下降時間（Falling Time）等特性，有可能會超出 I²C 或其它介面規範要求。大家都本著會動就好的原則，經常會忽略這些問題，在選擇器件規格時又不嚴加把關，所以偶有意外發生也是正常的，設計時宜對訊號進行量測及檢視。

  J, I  f0 j0 r- N9 G1 Z我們之前的經驗是，應用於 1.8V 和 3.3V 的電平轉換，400KHz 之下的上升時間（Rising Time）及下降時間（Falling Time）會非常接近 I²C 規範要求，記得餘量 < 10ns。這個測試結果對於小米或華為這類的大客戶，可能就會提出質疑了。
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