使用MOS管搭建双向电平转换电路设计

最近在设计中碰到一个简单，但是稍不注意就出错的问题，在此分享一下。

在电路开发过程中，我们经常遇到两个系统电平不一致的情况，比如IIC通信。使用MOS管搭建双向电平转换电路，是比较常见的做法，电路如图1中虚线框所示，MOS管的部分参数如图2所示。

图1

图2

电路原理很简单，分两种情况：

1. 从A到B

A为高电平时，MOS管关断，B端通过上拉，输出高电平;

A为低电平时，MOS管内的体二极管导通，使MOS管的S极被拉低，从而使Vgs=3.3V>Vgs(th)=1.6V，MOS管导通，B端被拉低，输出低电平;

A为高阻态时，MOS管关断，B端通过上拉，输出高电平。

2. 从B到A

B为高电平时，MOS管关断，A端通过上拉，输出高电平;

B为低电平时，Vgs=3.3V>Vgs(th)=1.6V，MOS管导通，A端被拉低，输出低电平;

B为高阻态时，MOS管关断，A端通过上拉，输出高电平。

一直以来使用这个电路没有出现过问题，所以这次也是不假思索的照搬过来，但结果是上电后，模块B无法正常启动工作。

出现该问题的原因也很简单，就是模块B的通信引脚除了通信之外，还有其他作用，如图1所示， 其在上电时需要通过下拉10K电阻R3到GND实现低电平，并维持一段时间，以确保模块B能正常启动。 但如果直接使用该转换电路，示波器测量到的模块B引脚电平，在上电瞬间的波形如图3所示，可以看到幅值在2.3V左右，已经达到了模块B的高电平标准，因此，模块B启动失败，之后该引脚一直输出为低电平。

图3

分析下工作过程， 上电瞬间，B点电压是3.3V通过R2和R3分压后得到 ，理论值等于2.2V，与实测波形接近。在该电路中，信号流是从B到A单向传输的，因此想到可以去掉电阻R2，那样B点在上电瞬间就不会有上拉电压，但是实际去掉R2后，模块B依旧无法启动。进一步分析，在上电瞬间B点电压确实为0，但是也因此导致Vgs=3.3V，MOS管导通，R3又和上拉电阻R1形成了分压关系，导致B点无法拉到低电平。

因此，如果想要继续使用该电平转换电路的话，必须加大上拉电阻R1和R2的值，使分压后的B点电位达到低电平标准，但是上拉电阻改的太大的话，A端高电平可能会有问题，所以最终选择使用两个三极管组成的电平转换电路，如图4所示，问题解决。

图4