在電子電路設(shè)計(jì)中，不同電壓電平之間的轉(zhuǎn)換是一個常見且重要的問題。特別是在 3.3V 與 5V 電路之間的電平轉(zhuǎn)換，對于許多電子設(shè)備的正常運(yùn)行至關(guān)重要。本文將詳細(xì)介紹使用 NMOS 管實(shí)現(xiàn) 3.3V 與 5V/12V 電路之間的電平轉(zhuǎn)換方法，包括電路圖設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)、工作原理分析、實(shí)際測試結(jié)果以及案例探討，尤其關(guān)注低溫條件下 NMOS 體二極管導(dǎo)通壓降對信號的影響。

電路圖設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)使用 NMOS 管進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的電路時(shí)，需要特別注意 NMOS 管的連接方式。NMOS 管的 Source 端應(yīng)接低電平側(cè)，Drain 端接高電平側(cè)，否則通過 NMOS 體二極管可能會存在漏電現(xiàn)象。

如圖所示，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。該電路的應(yīng)用限制條件如下：

1. VDD1 ≤ VDD2；
2. SDA1/SCL1 的低電平門限大于 0.7V 左右（視 NMOS 內(nèi)的二極管壓降而定），具體可參考本文案例分析章節(jié)；
3. Vgs ≤ VDD1；
4. Vds ≤ VDD2；
5. 信號頻率做不到很快。

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

電路原理分析

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。此時(shí)，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(dǎo)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(shí)兩部分的總線線路都是高電平，只是電壓電平不同。

一個 3.3V 器件下拉總線線路到低電平

當(dāng)一個 3.3V 器件將總線線路下拉到低電平時(shí)，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(dǎo)通。然后 5V 部分的總線線路通過導(dǎo)通的 NMOS 管被 3.3V 器件下拉到低電平。此時(shí)，兩部分的總線線路都是低電平，而且電壓電平相同。

一個 5V 的器件下拉總線線路到低電平

當(dāng)一個 5V 的器件下拉總線線路到低電平時(shí)，NMOS 管的漏極基底二極管導(dǎo)通，源極電壓為基底二極管導(dǎo)通 0.7V，3.3V 部分被下拉直到 Vgs 超過閥值，NMOS 管開始導(dǎo)通。3.3V 部分的總線線路通過導(dǎo)通的 NMOS 管被 5V 的器件進(jìn)一步下拉到低電平。此時(shí)，兩部分的總線線路都是低電平，而且電壓電平相同。

電路優(yōu)點(diǎn)

1. 適用于低頻信號電平轉(zhuǎn)換，價(jià)格低廉：該電路對于低頻信號的電平轉(zhuǎn)換效果較好，并且所使用的 NMOS 管價(jià)格相對較低，能夠有效降低成本。
2. 導(dǎo)通后，壓降比三極管?。号c三極管相比，NMOS 管導(dǎo)通后的壓降更小，能夠減少能量損耗。
3. 正反向雙向?qū)?，相?dāng)于機(jī)械開關(guān)：NMOS 管具有正反向雙向?qū)ǖ奶匦?，類似于機(jī)械開關(guān)，使用起來更加方便。
4. 電壓型驅(qū)動，當(dāng)然也需要一定的驅(qū)動電流，而且有的應(yīng)用也許比三極管大：雖然 NMOS 管是電壓型驅(qū)動，但在某些應(yīng)用中，所需的驅(qū)動電流可能比三極管大。

3.3 向 5V 轉(zhuǎn)換測試

對這個電路進(jìn)行測試時(shí)，MOS 管采用的是 2N7002 小信號 NMOS，其輸入電容很小，大概幾十 pF。

以下是不同頻率下的測試波形：

• 115KHz 波形：這是常用串口較高的波特率。
  
  分析可知，5V 電路上升沿緩是因?yàn)橐揽可侠娮枭仙?5V，時(shí)間常數(shù)決定，上拉電阻越小上升時(shí)間越小；5V 電路下降沿陡是因?yàn)?NMOS 導(dǎo)通，直接由 3.3V 電路驅(qū)動低電平。
• 400KHz：高速 IIC 通信的時(shí)鐘頻率。
  
• 1MHz：波形上升太慢了。
• 4MHz：已經(jīng)不能輸出 5V 的電平了。
  
  分析可得，5V 電路還沒來得及上升至 5V 就被拉下來了。

案例分析

1.5V MDIO 在低溫下無法正確訪問

• 問題描述：某顆以太網(wǎng) PHY 芯片，MDIO 電壓設(shè)定為 1.35V（1.5V - 10%），其對接的 MDIO 工具為 3.3V，利用 NMOS 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。由于 NMOS 體二極管的導(dǎo)通壓降的存在，導(dǎo)致 MDIO 工具輸出 0 的時(shí)候，PHY 端的 MDIO 會有 0. 幾伏的電壓（體二極管導(dǎo)通壓降）。參照 datasheet，當(dāng) PHY 芯片 MDIO 工作在 1.5V 時(shí)，Vil (1.5V) 只有 0.3V，導(dǎo)致不能正常工作。

• 為什么低溫的時(shí)候才能復(fù)現(xiàn)：NMOS 管體二極管在低溫下導(dǎo)通電壓會變大。

由于 MOS 管的 Vth 和 Rds (on) 都受到溫度的影響，因此溫度也會間接影響 MOS 管的導(dǎo)通電壓。具體來說，當(dāng)溫度升高時(shí)，Vth 降低而 Rds (on) 增大，這會導(dǎo)致 MOS 管在相同的 VGS 下更容易導(dǎo)通，但導(dǎo)通后的壓降也會增大。然而，需要注意的是，MOS 管的導(dǎo)通電壓并不是一個簡單的固定值，而是受到多種因素（如 VGS、溫度、溝道長度等）的共同影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮這些因素來確定 MOS 管的導(dǎo)通電壓。