電平轉(zhuǎn)換在電路設(shè)計(jì)中非常常見，因?yàn)樽鲭娐吩O(shè)計(jì)很多時(shí)候就像在搭積木，這個(gè)電路模塊，加上那個(gè)電路模塊，拼拼湊湊連起來就是一個(gè)電子產(chǎn)品了。而各電路模塊間經(jīng)常會出現(xiàn)電壓域不一致的情況，所以模塊間的通訊就要使用電平轉(zhuǎn)換電路了。

上圖是用MOS管實(shí)現(xiàn)的I2C總線電平轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)3.3V電壓域與5V電壓域間的雙向通訊。掛在總線上的有3.3V的器件，也有5V的器件，通過這個(gè)電路，大家就可以愉快地玩耍聊天了。

實(shí)物對照圖如下。實(shí)物的上拉電阻用了4.7K歐姆，可以提供更大的電流驅(qū)動(dòng)能力。在滿足電路性能的前提下，我喜歡用阻值更大的電阻，因?yàn)楣母透‰姟?/p>

原理分析

簡化來看，留下I2C的一根線來分析就可以了，如下圖。

分四種情況：

1、當(dāng)SDA1輸出高電平時(shí)：MOS管Q1的Vgs = 0，MOS管關(guān)閉，SDA2被電阻R3上拉到5V。

2、當(dāng)SDA1輸出低電平時(shí)：MOS管Q1的Vgs = 3.3V，大于導(dǎo)通電壓，MOS管導(dǎo)通，SDA2通過MOS管被拉到低電平。

3、當(dāng)SDA2輸出高電平時(shí)：MOS管Q1的Vgs不變，MOS維持關(guān)閉狀態(tài)，SDA1被電阻R2上拉到3.3V。

4、當(dāng)SDA2輸出低電平時(shí)：MOS管不導(dǎo)通，但是它有體二極管!MOS管里的體二極管把SDA1拉低到低電平，此時(shí)Vgs約等于3.3V，MOS管導(dǎo)通，進(jìn)一步拉低了SDA1的電壓。

注：

低電平指等于或接近0V。

高電平指等于或接近電源電壓。所以3.3V電壓域的器件，其高電平為等于或接近3.3V;5V電壓域的器件，其高電平為等于或接近5V。

具體要求看芯片的數(shù)據(jù)手冊是怎么說明這個(gè)限定范圍的，常見的比如說0.3倍的“芯片供電電壓”以下為低電平，0.7倍的“芯片供電電壓”以上為高電平。也就是說“芯片供電電壓”為5V的時(shí)候，5 x 0.3 = 1.5V 以下為低電平，5 x 0.7 = 3.5V 以上為高電平。

某一個(gè)芯片數(shù)據(jù)手冊里關(guān)于高低電平的閾值范圍說明

注意事項(xiàng)

以上是3.3V與5V之間的情況，如果換用其他電壓域之間的轉(zhuǎn)換，如3.3V、2.5V、1.8V等電壓值的兩兩之間，需要注意MOS管的Vgs開啟導(dǎo)通電壓。

給MOS管過高的Vgs會導(dǎo)致MOS管燒壞!給過低的Vgs會導(dǎo)致MOS管打不開!不同型號的MOS管這個(gè)參數(shù)值還不一樣!!!

舉例：其中一個(gè)廠家生產(chǎn)的2N7002的數(shù)據(jù)手冊，Vgs不能超過正負(fù)20V

再來看一下，設(shè)計(jì)電路時(shí)Vgs可能設(shè)計(jì)過小的情況，下圖是2N7002的數(shù)據(jù)手冊：

舉例：其中一個(gè)廠家生產(chǎn)的2N7002的數(shù)據(jù)手冊，Vgs的開啟電壓為1V

實(shí)際使用時(shí)為保證完全開啟、完全導(dǎo)通，設(shè)計(jì)上要多預(yù)留余量，比如實(shí)際電路中Vgs起碼給到1.8V。因?yàn)?.8V的設(shè)計(jì)參數(shù)接近數(shù)據(jù)手冊標(biāo)注的1V臨界值，尤其注意用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確保萬無一失。

總結(jié)

3.3V跟5V互轉(zhuǎn)的電路已經(jīng)是一個(gè)經(jīng)典電路，實(shí)在是硬件設(shè)計(jì)師居家旅行、護(hù)院看家，必備良藥!MOS管型號就記住用2N7002，這個(gè)型號便宜，性能久經(jīng)考驗(yàn)，不像有些MOS管外型看起來跟2N7002一樣，但實(shí)際是大功率的，有部分性能規(guī)格浪費(fèi)了，有部分性能規(guī)格又不一定能滿足需要，主要是還賊貴，具體其他MOS是怎樣的這里就不細(xì)究啦。