邏輯電平位移基礎知識 -- 在通信和 GPIO 中混合高、低邏輯電平電壓
發布時間：2022-4-20 11:10
發布者：eechina
|
來源：Digi-Key 作者：Don Johanneck 最新的數字設備設計得越來越小、越來越快，效率也更高。主流 5V 邏輯電平被越來越低的 3.3V、2.5V、1.8V 甚至更低的電壓標準所取代，因此需要一種方法讓不匹配的系統能夠可靠、有效地進行通信。設計者需要確保邏輯 1 或邏輯 0 可以在這些平臺上以一種可預測的方式實現。 
二進制或兩級邏輯電壓之間的轉換/隔離促進了可預測的電路行為。設計者可能會認為 3.3 V 的信號在 5 V 引腳上“應該有效”，但并不是在所有條件下總是如此。相反，在大多數情況下，在一個接受 3.3V、5 V 電壓的引腳上使用 5V 信號肯定是有效的，但這種方法由于需要額外的元件且在某些情況下要“燒掉”多余的電壓，所以成本更高。 有替代方案嗎？ 有源轉換器/電平位移器件解決了常見的轉換問題，甚至可能提供額外的有用功能，如反相、推挽輸出、三態或差分功能。但是，如果有不太復雜的東西允許實現更寬的邏輯電壓水平和雙向通信那怎么樣？一個分立、緊湊的 MOSFET 可以以高頻率和高效率完成轉換。使用這些廉價的半導體和一些額外的無源器件，可以對像 I2C 和直接 GPIO 引腳到引腳連接這樣的通信方式實現電平位移。適當地選擇 MOSFET 就可以實現更高的邏輯電壓，例如 12 V 或 18 V 也可用于監測汽車電路就是一例。 注意：采用 Hs 模式（高速模式）的 I2C 可能需要更精細的元件，如 NXP 的 PCA9306 雙向轉換器。 實例： BS170 （N 溝道增強模式場效應晶體管） BS170 旨在最大限度地減少導通電阻，同時提供可靠和快速的開關性能，適合低電壓、低電流開關應用。圖 1 顯示了進行基本通信或 GPIO 邏輯電平位移所需的連接。
圖 1：基本、單總線、電平轉換 MOSFET 電路。 MOSFET 兩側的邏輯高電平是通過上拉電阻實現的，其各自的電源提供快速模式 (400 kHz) I2C 信號或其他類似的快速數字接口的轉換。MOSFET 的柵極被保持在低壓供電水平。當沒有器件拉低總線線路電壓時，MOSFET 的源極的總線線路就會被低壓上拉電阻拉高。MOSFET 的柵/源電壓 (VGS) 低于閾值，MOSFET 不導通。這使得 MOSFET 漏極的總線電壓被高壓上拉電阻拉起。MOSFET 兩側的總線保持為高電平，但處于不同的電壓水平。見圖 2。
圖 2：邏輯高電壓轉換。 如果低壓器件拉低 MOSFET 源極的總線電壓，而柵極保持在低壓供電水平，則 VGS 會上升到閾值以上，然后 MOSFET 開始導通。此時 MOSFET 漏極的總線電壓也會被拉低。參見圖 3。
圖3：由低壓器件啟動的邏輯低電壓轉換。 如果高壓器件拉低了 MOSFET 漏極的總線電壓，MOSFET 的基底二極管允許源極也被部分拉低，這是因為二極管上有少量的電壓下降。見圖 4。
圖 4：由高電壓器件啟動的近邏輯低電壓轉換。 當 MOSFET 的源極被部分拉低時，VGS 上升到閾值以上，MOSFET 開始有效地繞過基底二極管進行導通。見圖 5。
圖 5：由高電壓器件啟動的全邏輯 LOW 電壓轉換。 這三種狀態顯示了在總線系統的兩個方向上轉換的邏輯電平，與驅動部分無關。根據 MOSFET 的能力，實現多組合高電壓和低電壓供電是可能的。無論邏輯電平沖突是涉及點對點 GPIO、傳感器輸出還是雙向多線路通信，MOSFET 電平移位器都是有用的工具。圖 5 展示了一個使用兩個 MOSFET 實現的轉換后、雙線、雙向通信電路。
圖 6：雙線雙向轉換數據通信電路。 隔離 為了防止在高壓設備斷電或高壓電源斷電的情況下出現隨機的邏輯電平，可以采用額外的 MOSFET“漏極到漏極”來隔離高壓邏輯總線線路。
圖 7：轉換后的數據通信電路中的隔離總線線路。 開發板 為了詳細了解邏輯電平轉換，一些制造商生產了開發板，裝有 MOSFET 或邏輯轉換器件以及所需的外圍無源器件，以便進行快速連接和實驗。 結語 選擇合適的 MOSFET 和上拉電阻是這種簡單而有效的邏輯轉換方法的成功關鍵。典型器件數據手冊中包含了實驗所需的信息。在大多數情況下，BS170 的上拉電阻在 4.7 Khm 到 10 Khm 范圍內可能效果很好。專用邏輯電平轉換器 IC 也可以提供額外的功能，如 I/O 和供電電壓輸入的 15kV ESD 保護。 |
網友評論