【電路干貨】I2C雙向電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-08-25
在I2C主從設(shè)備對接時，需要考慮主從設(shè)備的電平情況，常規(guī)的主要有3種：5V，3.3V，1.8V。如果電平相同，比如都是3.3V，那么可以直接對接。如果電平不同，一個高電平是3.3V ，另外一個是1.8V，那么就需要接入其它的器件來做一下電平轉(zhuǎn)換，通常是接入NMOS管。
通過使用雙向電平轉(zhuǎn)換器可以將電源電壓和邏輯電平不同的兩部分I2C 總線連接起來配置入下圖所示。左邊的低電壓部分有上拉電阻而且器件連接到3.3V 的電源電壓，右邊的高電平部分有上拉電阻器件連接到5V 電源電壓。兩部分的器件都有與邏輯輸入電平相關(guān)的電源電壓和開漏輸出配置的I/O。
每條總線線路的電平轉(zhuǎn)換器是相同的而且由一個分立的N通道增強型MOS-FET管串行數(shù)據(jù)線SDA的TR1和串行時鐘線SCL 的TR2 組成。門極g 要連接到電源電壓VDD1， 源極s 連接到低電壓部分的總線線路而漏極d 則連接到高電壓部分的總線線路。
很多MOS-FET 管的基底與它的源極內(nèi)部連接，如果內(nèi)部沒有，就必須建立一個外部連接。因此，每個MOS-FET 管在漏極和基底之間都有一個集成的二極管n-p 結(jié)。如下圖所示。
電平轉(zhuǎn)換器的操作
在電平轉(zhuǎn)換器的操作中要考慮下面的三種狀態(tài)：
1、 沒有器件下拉總線線路。
低電壓部分的總線線路通過上拉電阻Rp 上拉至VDD1（3.3V） MOS-FET 管的門極和源極都是VDD1（3.3V）, 所以它的VGS 低于閥值電壓MOS-FET 管不導(dǎo)通這就允許高電壓部分的總線線路通過它的上拉電阻Rp 拉到5V。 此時兩部分的總線線路都是高電平只是電壓電平不同。
2、一個3.3V 器件下拉總線線路到低電平。
MOS-FET 管的源極也變成低電平而門極是VDD1（3.3V）。VGS高于閥值，MOS-FET 管開始導(dǎo)通然后高電壓部分的總線線路通過導(dǎo)通的MOS-FET管被VDD1（3.3V）器件下拉到低電平，此時兩部分的總線線路都是低電平而且電壓電平相同。
3、一個5V 的器件下拉總線線路到低電平。
MOS-FET 管的漏極基底、二極管低電壓部分被下拉，直到VGS 超過閥值，MOS-FET 管開始導(dǎo)通，低電壓部分的總線線路通過導(dǎo)通的MOS-FET管被5V 的器件進一步下拉到低電平，此時兩部分的總線線路都是低電平而且電壓電平相同。
這三種狀態(tài)顯示了邏輯電平在總線系統(tǒng)的兩個方向上傳輸，與驅(qū)動的部分無關(guān)。狀態(tài)1 執(zhí)行了電平轉(zhuǎn)換功能，狀態(tài)2和3按照I2C總線規(guī)范的要求在兩部分的總線線路之間實現(xiàn)“線與”的功能。除了VDD1 (3.3V)和VDD2 (5.0V)的電源電壓外,還可以是例如2V VDD1 和10V VDD2 等的正常操作。其中VDD2必須等于或高于VDD1 。
但是值得注意的是，VDD1作為較低部分的電壓，必須能夠大于所選擇的MOS-FET的閥值電壓，也就是必須能夠打開MOS-FET。此管參數(shù)必須謹慎選擇。如下兩種參數(shù)MOS-FET，在VDD1 (1.8V)到VDD2 (3.0V) 的電路中就可能存在截然不同的效果。
管1
管2
選擇管1，由于VGS的范圍是1.0~2.5V，很有可能出現(xiàn)大于1.8V的狀況，因此VDD1方面?zhèn)鬏數(shù)碗娖叫盘枙r，MOS-FET不能很完全的被打開，導(dǎo)致到VDD2 (3.0V)方面的信號不能徹底為低，出現(xiàn)半高狀態(tài)。
選擇管2，由于VGS的范圍是0.9~1.5V小于1.8V，因此，通路才會正常工作。
其他不同電壓間的轉(zhuǎn)換原理如上，請悉心選擇器件。
在3.3V IIC總線中用到5V IIC器件，該電路已實驗通過。
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