3.3V和5V電平雙向轉換—MOS管電路分析-KIA MOS管

3.3V和5V電平轉換

電平轉換在電路設計中非常常見，因為做電路設計很多時候就像在搭積木，這個電路模塊，加上那個電路模塊，拼拼湊湊連起來就是一個電子產品了。而各電路模塊間經常會出現電壓域不一致的情況，所以模塊間的通訊就要使用電平轉換電路了。

電路圖如下：

僅由3個電阻加一個MOS管構成，電路十分簡單。

上圖中，SDA1/SCL1，SDA2/SCL2為I2C的兩個信號端，VDD1和VDD2為這兩個信號的高電平電壓。電路應用限制條件為：

1，VDD1 ≤ VDD2；

2，SDA1/SCL1的低電平門限大于0.7V左右（視NMOS內的二極管壓降而定）；

3，Vgs ≤ VDD1；

4，Vds ≤ VDD2 。

對于3.3V和5V/12V等電路的相互轉換，NMOS管選擇AP2306或者SI2306即可。

電路分析如下：

1、沒有器件下拉總線線路。

3.3V部分的總線線路通過上拉電阻Rp上拉至3.3V。 NMOS管的柵極和源極都是3.3V， 所以它的Vgs 低于閥值電壓，NMOS管不導通。

這就允許5V部分的總線線路通過它的上拉電阻Rp上拉到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。

NMOS管的源極也變成低電平，而柵極是3.3V，Vgs上升高于閥值，NMOS 管開始導通。然后5V部分的總線線路通過導通的NMOS管被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。

NMOS管的漏極基底二極管導通，源極電壓為基底二極管導通0.7V，3.3V部分被下拉直到Vgs 超過閥值，NMOS管開始導通。

3.3V部分的總線線路通過導通的NMOS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。

優點：

1、適用于低頻信號電平轉換，價格低廉。

2、導通后，壓降比三極管小。

3、正反向雙向導通，相當于機械開關。

4、電壓型驅動，當然也需要一定的驅動電流，而且有的應用也許比三極管大。

實物對照圖如下。實物的上拉電阻用了4.7K歐姆，可以提供更大的電流驅動能力。在滿足電路性能的前提下，用阻值更大的電阻，因為功耗更低更省電。

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

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

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

4、當SDA2輸出低電平時：MOS管不導通，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Vgs約等于3.3V，MOS管導通，進一步拉低了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據手冊是怎么說明這個限定范圍的，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。

注意事項：

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開啟導通電壓。

給MOS管過高的Vgs會導致MOS管燒壞。給過低的Vgs會導致MOS管打不開。不同型號的MOS管這個參數值還不一樣。

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