3.3V和5V电平双向转换—MOS管电路分析-KIA MOS管

3.3V和5V电平转换

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。

电路图如下：

仅由3个电阻加一个MOS管构成，电路十分简单。

上图中，SDA1/SCL1，SDA2/SCL2为I2C的两个信号端，VDD1和VDD2为这两个信号的高电平电压。电路应用限制条件为：

1，VDD1 ≤ VDD2；

2，SDA1/SCL1的低电平门限大于0.7V左右（视NMOS内的二极管压降而定）；

3，Vgs ≤ VDD1；

4，Vds ≤ VDD2 。

对于3.3V和5V/12V等电路的相互转换，NMOS管选择AP2306或者SI2306即可。

电路分析如下：

1、没有器件下拉总线线路。

3.3V部分的总线线路通过上拉电阻Rp上拉至3.3V。 NMOS管的栅极和源极都是3.3V， 所以它的Vgs 低于阀值电压，NMOS管不导通。

这就允许5V部分的总线线路通过它的上拉电阻Rp上拉到5V。此时两部分的总线线路都是高电平，只是电压电平不同。

2 、一个3.3V 器件下拉总线线路到低电平。

NMOS管的源极也变成低电平，而栅极是3.3V，Vgs上升高于阀值，NMOS 管开始导通。然后5V部分的总线线路通过导通的NMOS管被3.3V 器件下拉到低电平。此时，两部分的总线线路都是低电平，而且电压电平相同。

3、一个5V 的器件下拉总线线路到低电平。

NMOS管的漏极基底二极管导通，源极电压为基底二极管导通0.7V，3.3V部分被下拉直到Vgs 超过阀值，NMOS管开始导通。

3.3V部分的总线线路通过导通的NMOS管被5V 的器件进一步下拉到低电平。此时，两部分的总线线路都是低电平，而且电压电平相同。

优点：

1、适用于低频信号电平转换，价格低廉。

2、导通后，压降比三极管小。

3、正反向双向导通，相当于机械开关。

4、电压型驱动，当然也需要一定的驱动电流，而且有的应用也许比三极管大。

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，用阻值更大的电阻，因为功耗更低更省电。

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。

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。

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