KA_IX

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总结分析MOS管电平转换电路

2021-2-19 11:30:09 显示全部楼层
MOS管电平转换电路
MOS管电平转换电路.jpg

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。
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。
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。
平换电路2.jpg

原图分析
MOS管电平转换电路3.jpg
分四种情况:
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。
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。
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。
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。

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。
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。
平换电路4.jpg

注意事项:
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。
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!!!


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:
MOS管电平转换电路5.jpg
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。

总结:
3.3V跟5V互转的电路已经是一个经典电路,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。


来源:hi-semicon

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