3.3V与5V电平转换方法、电路原理分析、测试结果及案例探讨

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详细介绍了使用NMOS管实现3.3V与5V/12V电路之间的电平转换方法。包括电路图设计注意事项、工作原理分析、实际测试结果及案例探讨，特别是低温条件下NMOS体二极管导通压降对信号的影响。

1、电路图如下：

注意：NMOS管Source端接低电平侧，Drain端接高电平侧，不然通过NMOS体二极管可能存在漏电。        

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），见本文案例分析章节；

3，Vgs ≤ VDD1；

4，Vds ≤ VDD2；

5，信号频率做不到很快。

        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。

2、电路分析如下：2.1、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 .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。

2.3、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。

3、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。

4、3.3向5V转换测试：

对这个电路测试了下，MOS管采用的是2N7002小信号NMOS，输入电容很小的，大概几十pF。下面是电路及实物

115KHz波形，这个是频率是常用串口较高的波特率

分析：5V电路上升沿缓是因为依靠上拉电阻上升至5V，时间常数决定，上拉电阻越小上升时间越小；5V电路下降沿陡是因为NMOS导通，直接由3.3V电路驱动低电平。

400KHz，高速IIC通信的时钟频率

1MHz，波形上升太慢了

4MHz，已经不能输出5V的电平了

分析：5V电路还没来得及上升至5V就被拉下来了。

5、案例分析

5.1、1.5V MDIO在低温下无法正确访问5.1.1、问题描述

某颗以太网PHY芯片，MDIO电压设定为1.35V（1.5V-10%），其对接的MDIO工具为3.3V，利用NMOS进行电平转换。

由于NMOS体二极管的导通压降的存在，导致MDIO工具输出0的时候，PHY端的MDIO会有0.几伏的电压（体二极管导通压降）。

参照datasheet，当PHY芯片MDIO工作在1.5V时，Vil(1.5V)只有0.3V，导致不能正常工作。

5.1.2、为什么低温的时候才能复现？

NMOS管体二极管在低温下导通电压会变大！

[color=rgb(51, 51, 51) !important]由于MOS管的Vth和Rds(on)都受到温度的影响，因此温度也会间接影响MOS管的导通电压。具体来说，当温度升高时，Vth降低而Rds(on)增大，这会导致MOS管在相同的VGS下更容易导通，但导通后的压降也会增大。

[color=rgb(51, 51, 51) !important]然而，需要注意的是，MOS管的导通电压并不是一个简单的固定值，而是受到多种因素（如VGS、温度、沟道长度等）的共同影响。因此，在实际应用中，需要综合考虑这些因素来确定MOS管的导通电压。.