【新品发布】针对1.8V/3.3V、3.3V/5V的双向电平转换应用优化阈值电压的NMOS

在各类数字电路的设计中，我们经常会遇到一个非常典型的矛盾：核心处理器为了追求低功耗和高速度，其I/O电压越来越低，如1.8V或2.5V，而外围传感器、执行器或老旧接口却依然工作在传统的5V或3.3V逻辑电平。如果直接将不同电压的引脚相连，可能会导致逻辑判别错误甚至烧毁芯片。为了解决这种电压域之间的通信障碍，设计师经常需要搭建电平转换电路。

利用MOS 管的开关特性及其内部体二极管搭建双向电平转换电路成为了众多硬件工程师的首选方案，该方案不仅经济便利，还具备极低的导通延迟，非常适合I²C等开漏总线以及UART等异步串行通信。本文将从电路的基本工作原理入手，解析信号在高低压域之间的传输机制，并探讨MOS管的选型要点和匹配型号，希望能够为设计者在实际项目中提供清晰的指引。

电路工作原理

双向电平转换电路通常由一个N沟道增强型MOS管、两颗上拉电阻、一个高电压源和一个低电压源构成。NMOS的源极（S）连接到低压侧，漏极（D）连接到高压侧，而栅极（G）则直接连接到低压侧的电源正极。

我们以VCCA=5V， VCCB=3.3V， MOS管Vgs(th)=1.5V为例，解析电路在四种状态下的工作原理。

①低压侧输入高电平，高压侧输出高电平

图1

②低压侧输入低电平，高压侧输出低电平

图2

当低压侧器件输出低电平时，MOS管的源极（S）被拉低至0V。此时，栅极（G）电压为3.3V，源极电压为0V，因此栅-源电压Vgs=3.3V。只要这个电压超过MOS管的开启电压（Vgs(th)），MOS管就会导通。导通后漏极（D）电压也被拉低至接近0V，从而实现将低压侧的低电平传递到高压侧。

③高压侧输入高电平，低压侧输出高电平

图3

当高压侧器件输出高电平（5V）时，漏极（D）电压为5V。此时，体二极管反向偏置而截止，Vgs = 3.3V–3.3V = 0V，MOS管保持截止状态。低压侧的源极（S）电压则被上拉电阻RB稳定在3.3V，实现高电平转换。

④高压侧输入低电平，低压侧输出低电平

图4

当高压侧器件输出低电平时，MOS管的漏极（D）被拉低至0V。此时，MOS管内部的体二极管会正向导通，这一过程会将低压侧的源极（S）电压钳位在一个二极管压降（约0.7V）。这一过程导致Vgs = 3.3V-0.7V =2.8V，超过MOS管的开启电压，使MOS管迅速进入完全导通状态。MOS管完全导通后，其源极（S）电压被进一步拉低至接近0V，从而完成电平转换。

为了更直观地对比这四种状态，我们可以用下表来总结：

表1 双向电平转换电路总结

MOS管选型

MOS管的阈值电压Vgs(th)是选型的首要依据，需要满足Vgs(th)<低压侧电源电压<Vgs(max)。从上面的总结表可以得出低压侧电源电压必须大于Vgs(th)才能确保MOS管充分导通。例如，若VCCB=1.8V，则Vgs(th)≤1.8V-0.7V=1.1V，在留有充足余量的情况下应选择Vgs(th)≤1V的MOS管。同时，其导通电阻Rds(on)应尽可能小，以减少信号衰减。

综合上述考虑，我们为不同的电路设计系统推荐了以下器件：

表2 MOS选型推荐

总结

随着物联网设备的爆发式增长和芯片制程的不断演进，核心处理器与外设之间的电压问题会变得更加多样和复杂，本文总结的方案仅需一个MOS管和两只电阻，就能利用MOS管的开关特性搭建桥梁，实现跨电压域的双向通信，为硬件工程师提供了一种轻量级、低成本、高可靠性的工程选择。

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