解析3.3V與5V雙向電平轉(zhuǎn)換電路的工作狀態(tài)

本例電路可實現(xiàn)I2C雙向總線系統(tǒng)中3.3V與5V電平的雙向轉(zhuǎn)換，且不需要方向選擇信號，而且還能將掉電的總線部分和剩下的總線系統(tǒng)隔離開來，保護低壓器件防止高電壓器件的高電壓毛刺。

整個電路的工作過程

I2C總線有一條串行數(shù)據(jù)線SDA和一條串行時鐘線SCL。I2C總線在連接時，總線設(shè)備都是掛在總線上，這樣我們就能很好理解本例電路的使用方法了：

從電路中可以看出，SDA和SCL的電平轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)是一樣的，每個總線上都串有一個分立的MOSFET，和相應(yīng)的上拉電阻。

分析這個電路時要分清楚的電路的工作狀態(tài)

狀態(tài)1：總線上沒有數(shù)據(jù)傳輸時（空閑狀態(tài)）：

總線上沒有數(shù)據(jù)傳輸時，I2C器件的SDA和SCL引腳保持高阻態(tài)，經(jīng)上拉電阻R1和R2上拉到3.3V，也就是SDA和SCL在空閑狀態(tài)都保持高電平。

這樣Q1和Q2兩個N-MOS的VGS都為0V，兩個MOSFET（Q1，Q2）不能導(dǎo)通。那么高電壓部分的I2C總線，通過上拉電阻R3和R4上拉到5V。這樣MOSFET的兩端總線空閑時都為高電平，滿足I2C總線的電氣特性。

狀態(tài)2：3.3V的I2C器件下拉總線到低電平：

（SCL和SDA下拉到低電平后的分析方式都一樣）

此時，N-MOS管的S極變?yōu)榈碗娖剑T極G保持為3.3V的高電平。Vgs高于閥值，N-MOS管開始導(dǎo)通。

然后高電壓5V部分的總線線路通過導(dǎo)通的N-MOS管被低電壓端的I2C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。符合I2C總線要求。

狀態(tài)3：5V的I2C器件下拉總線線路到低電平。

當(dāng)有一個5V的器件下拉總線線路到低電平時，通過N-MOS管的體二極管作用，將N-MOS的S極拉低，使Vgs的電壓高于導(dǎo)通閥值，N-MOS導(dǎo)通進一步的拉低S極電壓，也就是將3.3V系統(tǒng)總線電平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。

從上面分析可以看出這三種狀態(tài)顯示了邏輯電平在總線系統(tǒng)的兩個方向上傳輸，與驅(qū)動的部分無關(guān)。

上述的3個狀態(tài)，第一個狀態(tài)實現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)換功能。而第二個和第三個狀態(tài)的邏輯都是線“與”的功能，只要有一端為低電平，也會使另外一端為低電平。

注意：

可以看出本例中MOS管的GS間最大電壓為3.3V，所以選擇的MOS管的開啟閥值電壓要低于3.3V，否則不能使MOS管打開，電平轉(zhuǎn)換就無法工作了。