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I2C總線—電平轉換

冬至子 ? 來源:EDA365電子論壇 ? 作者:John版主 ? 2023-11-02 12:32 ? 次閱讀

我們先來看一張圖,熟悉I2C的人一看,這不是I2C的level shifter電路嘛,在Philip的I2C標準里面有,沒有啥復雜的。

圖片

我們先來解讀下這張圖,I2C的level shifter是通過NMOS管來實現的,有人可能會問,為什么不用PMOS呢?一般情況下,只有在外部電源輸入端,我們設計INRUSH電流緩啟動或者防反插電路的時候才會用到PMOS。

理由很簡單, PMOS是低電平打開,電源插入瞬間系統其實還沒有用于打開MOSFET的高電平,所以只能選擇PMOS, 而NMOS體積小,RDSON低,在系統內部會更多選擇NMOS。

我們來舉個PMOS的用例:

圖片

言歸正傳,我們來繼續討論I2C問題。首先我們要牢牢記住,I2C是Open-drain,所以level shifter電路的兩邊都是上拉電阻Rp的,下面講下這個電路是怎么工作的。

下圖是兩張I2C的基本操作時序圖,分別是Master對Slave所做的讀和寫:

圖片

圖片

我們可以看到, SDA一定是雙向的,既然是雙向的,那么就有四種情況,我們來一一解釋level shifter是怎么來cover它們的。(注意:這里面會含有一個Facebook的問題,不要忘記自測哦。)

01

第一步,Master往Slave發數據1

圖片

**1) **左邊MasterSDA_1為輸出,驅H-3.3V,NMOS的VGS=0, 此時NMOS關閉;

**2) **右邊的Slave的SDA_2是輸入,對外呈現高阻;

**3) **NMOS關斷和SLAVE為輸入,導致SDA_2懸空;

**4) **最終SDA_2依靠RP2上拉到5V,完成3.3V到5V的轉換。

02

第二步,Master往Slave發數據0

圖片

1) 左邊MasterSDA_1為輸出,驅Low=0,NMOS的VGS>0, 此時NMOS打開;

**2) **右邊的Slave的SDA_2是輸入,對外呈現高阻;

3) NMOS打開和SLAVE為輸入,導致SDA_2=SDA_1=0;

**4) **最終SDA_2被SDA_1拉到0,完成低電平的轉換。

03

第三步,Slave往Master發數據1

圖片

1) 右邊Slave SDA_2為輸出,驅H-5V;

**2) **左邊Master SDA_1為輸入,對外高阻, 被RP1上拉到3.3V;

**3) **NMOS 因為VGS=0一直關閉;

**4) **NMOS關閉,Master SDA_1維持3.3V高電平,完成電平轉換。

04

第三步,Slave往Master發數據0

圖片

**1) **右邊Slave SDA_2為輸出,驅LOW;

**2) **左邊Master SDA_1為輸入,對外高阻, 被RP1上拉到3.3V;

**3) **NMOS 因為VGS=0一直關閉;

**4) **NMOS關閉,Master SDA_1為3.3V高電平。

問題來了,我們看到右邊的SDA_2位Low,但是左邊的是SDA_1位High,那不是失敗了嘛,不可能啊,這個電路是好的啊。

我們來看看下一步會發生什么,其實這個問題沒有那么難,仔細看看這張圖,還是比較容易發現線索的。

我們來揭曉答案: 大家看看上圖的NMOS下面多了一個二極管,我們把這個二極管叫做Body Diode,它會在這個時候發揮作用。

**5) **由于左邊SDA_1為高,右邊SDA_2為LOW, Body Diode導通;

**6) **SDA_1被拉低,導致NMOS VGS>0 后打開;

**7) **NOMO打開后,SDA_1和SDA_2相當于短在一起;

**8) **最終左邊SDA_1被右邊的SDA_2拉低變為LOW。

我們看到由于體二極管的作用,打開NMOS管,使得右邊Slave輸出的L=0順利到達左邊的Master SDA_1輸入端。

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