I2C總線—電平轉(zhuǎn)換

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(biāo)準(zhǔn)里面有，沒有啥復(fù)雜的。

我們先來解讀下這張圖，I2C的level shifter是通過NMOS管來實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)INRUSH電流緩啟動或者防反插電路的時(shí)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(tǒng)其實(shí)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(tǒng)內(nèi)部會更多選擇NMOS。

我們來舉個(gè)PMOS的用例：

言歸正傳，我們來繼續(xù)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(gè)電路是怎么工作的。

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

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(gè)Facebook的問題，不要忘記自測哦。）

01

第一步，Master往Slave發(fā)數(shù)據(jù)1

**1) **左邊MasterSDA_1為輸出，驅(qū)H-3.3V，NMOS的VGS=0, 此時(shí)NMOS關(guān)閉；

**2) **右邊的Slave的SDA_2是輸入，對外呈現(xiàn)高阻；

**3) **NMOS關(guān)斷和SLAVE為輸入，導(dǎo)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(zhuǎn)換。

02

第二步，Master往Slave發(fā)數(shù)據(jù)0

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

**2) **右邊的Slave的SDA_2是輸入，對外呈現(xiàn)高阻；

3) NMOS打開和SLAVE為輸入，導(dǎo)致SDA_2=SDA_1=0；

**4) **最終SDA_2被SDA_1拉到0，完成低電平的轉(zhuǎn)換。

03

第三步，Slave往Master發(fā)數(shù)據(jù)1

1) 右邊Slave SDA_2為輸出，驅(qū)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?yàn)閂GS=0一直關(guān)閉；

**4) **NMOS關(guān)閉，Master SDA_1維持3.3V高電平，完成電平轉(zhuǎn)換。

04

第三步，Slave往Master發(fā)數(shù)據(jù)0

**1) **右邊Slave SDA_2為輸出，驅(qū)LOW；

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

**3) **NMOS 因?yàn)閂GS=0一直關(guān)閉；

**4) **NMOS關(guān)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(gè)電路是好的啊。

我們來看看下一步會發(fā)生什么，其實(shí)這個(gè)問題沒有那么難，仔細(xì)看看這張圖，還是比較容易發(fā)現(xiàn)線索的。

我們來揭曉答案： 大家看看上圖的NMOS下面多了一個(gè)二極管，我們把這個(gè)二極管叫做Body Diode，它會在這個(gè)時(shí)候發(fā)揮作用。

**5) **由于左邊SDA_1為高，右邊SDA_2為LOW, Body Diode導(dǎo)通；

**6) **SDA_1被拉低，導(dǎo)致NMOS VGS>0 后打開；

**7) **NOMO打開后，SDA_1和SDA_2相當(dāng)于短在一起；

**8) **最終左邊SDA_1被右邊的SDA_2拉低變?yōu)長OW。

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(dá)左邊的Master SDA_1輸入端。