探索 3.3 - 5V 双向电平转换：简单实用电路剖析

在电子电路设计中，当使用 3.3V 的单片机时，电平转换是一个常见且关键的问题，经常会遇到 3.3V 转 5V 或者 5V 转 3.3V 的情况。本文将介绍一种简单的电路，它能够实现 3.3V 和 5V 两个电平的相互转换，需要注意的是，这是双向的转换，而非单向转换。该电路十分简单，仅由 3 个电阻和一个 MOS 管构成。

图 1：双向电平转换电路示意

电路结构与条件限制

电路图如下所示：

图 2：3.3 - 5V 双向电平转换电路图
在图中，S1 和 S2 为两个信号端，VCC_S1 和 VCC_S2 为这两个信号的高电平电压。该电路有以下限制条件：

1. VCC_S1 = VCC_S2。这是为了保证电路能够正常实现电平转换，确保信号从低电压端向高电压端或者从高电压端向低电压端的稳定传输。

2. S1 的低电平门限大于 0.7V 左右（视 NMOS 内的二极管压降而定）。这个条件是为了避免因低电平过低而导致 NMOS 管误动作，影响电路的正常工作。

3. Vgs = VCC_S1。Vgs 是 MOS 管的栅源电压，此条件限制了 MOS 管的栅源电压范围，防止因过高的电压损坏 MOS 管。

4. Vds = VCC_S2。Vds 是 MOS 管的漏源电压，该条件保证了 MOS 管在正常工作时，漏源电压不会超过其所能承受的范围，从而保证 MOS 管的安全和电路的稳定性。

对于 3.3V 和 5V/12V 等电路的相互转换，NMOS 管选择 AP2306 即可。该电路的原理相对简单，大家可以自行分析。并且，此电路已经在多处得到应用，效果良好。

电平转换器的操作状态

在电平转换器的操作中，需要考虑以下三种状态：

1. 没有器件下拉总线线路：“低电压” 部分的总线线路通过上拉电阻 Rp 上拉至 3.3V。此时，MOS - FET 管的门极和源极都是 3.3V，所以它的 VGS 低于阀值电压，MOS - FET 管不导通。这就允许 “高电压” 部分的总线线路通过它的上拉电阻 Rp 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。这种状态下，电路实现了电平的隔离和不同电压的保持。

2. 一个 3.3V 器件下拉总线线路到低电平：MOS - FET 管的源极也变成低电平，而门极是 3.3V。VGS 上升高于阀值，MOS - FET 管开始导通。然后 “高电压” 部分的总线线路通过导通的 MOS - FET 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。这种状态下，实现了 3.3V 信号对 5V 总线的控制，将低电压信号传递到了高电压端。

3. 一个 5V 的器件下拉总线线路到低电平：MOS - FET 管的漏极基底二极管 “低电压” 部分被下拉直到 VGS 超过阀值，MOS - FET 管开始导通。“低电压” 部分的总线线路通过导通的 MOS - FET 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。这种状态下，实现了 5V 信号对 3.3V 总线的控制，将高电压信号传递到了低电压端。

这三种状态显示了逻辑电平在总线系统的两个方向上传输，与驱动的部分无关。状态 1 执行了电平转换功能，状态 2 和 3 按照 I2C 总线规范的要求在两部分的总线线路之间实现 “线与” 的功能。
除了 3.3V VDD1 和 5V VDD2 的电源电压外，还可以是例如：2V VDD1 和 10V VDD2。在正常操作中，VDD2 必须等于或高于 VDD1（在开关电源时允许 VDD2 低于 VDD1）。

MOS - N 场效应管双向电平转换电路

图 3：MOS - N 场效应管双向电平转换电路
为了方便讲述，定义 3.3V 为 A 端，5.0V 为 B 端。其双向传输原理如下：

• A 端输出低电平时（0V）：MOS 管导通，B 端输出是低电平（0V）。这是因为 A 端的低电平使得 MOS 管的栅源电压满足导通条件，从而将 B 端拉低。

• A 端输出高电平时（3.3V）：MOS 管截至，B 端输出是高电平（5V）。此时，由于 A 端的高电平使得 MOS 管不导通，B 端通过上拉电阻保持在高电平。

• A 端输出高阻时（OC）：MOS 管截至，B 端输出是高电平（5V）。高阻状态相当于 A 端没有对 MOS 管进行驱动，MOS 管不导通，B 端保持高电平。

• B 端输出低电平时（0V）：MOS 管内的二极管导通，从而使 MOS 管导通，A 端输出是低电平（0V）。B 端的低电平通过二极管使 MOS 管导通，进而将 A 端拉低。

• B 端输出高电平时（5V）：MOS 管截至，A 端输出是高电平（3.3V）。B 端的高电平使得 MOS 管不导通，A 端通过上拉电阻保持在高电平。

• B 端输出高阻时（OC）：MOS 管截至，A 端输出是高电平（3.3V）。同样，高阻状态下 B 端不对 MOS 管产生影响，MOS 管不导通，A 端保持高电平。

电路优点

1. 适用于低频信号电平转换，价格低廉：该电路在低频信号的电平转换中表现出色，而且由于其仅使用了几个简单的电阻和一个 MOS 管，成本较低，适合大规模应用。

2. 导通后，压降比三极管小：相比三极管，MOS 管在导通时的压降更小，这意味着在信号传输过程中，能量损耗更小，能够提高电路的效率。

3. 正反向双向导通，相当于机械开关：该电路能够实现正反向的双向导通，就像机械开关一样，可以灵活地控制信号的传输方向，满足不同的电路需求。

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：虽然 MOS 管是电压型驱动器件，但在某些应用中，其所需的驱动电流可能比三极管大。不过，这并不影响其在很多场合的应用，因为其其他优点足以弥补这一小小的不足。