Grundlagen zur Logikpegelwandlung

Übersicht

Die neuesten digitalen Geräte werden immer kleiner, schneller und effizienter. Zur herkömmlichen 5V-Logik gesellen sich immer niedrigere Spannungsstandards wie 3,3 V, 2,5 V, 1,8 V und niedrigere, so dass eine Methodik erforderlich ist, die eine zuverlässige und effiziente Kommunikation zwischen nicht aufeinander abgestimmten Systemen ermöglicht. Die Entwickler müssen sicherstellen, dass eine logische 1 oder eine logische 0 auf diesen Plattformen auf vorhersehbare Weise erreicht werden kann.

Die Übersetzung/Isolierung zwischen binären oder zweistufigen Logikspannungen fördert ein vorhersehbares Schaltungsverhalten. Entwickler denken vielleicht, dass ein 3,3V-Signal an einem 5V-Pin „funktionieren sollte“, aber das ist nicht immer und unter allen Bedingungen der Fall. Umgekehrt funktionieren 5 V an einem 3,3V- und 5V-toleranten Pin in den meisten Fällen, aber diese Methode ist teurer, da zusätzliche Bauteile benötigt werden und die überschüssige Spannung in einigen Fällen „abgebaut“ werden muss.

Gibt es eine Alternative?

Aktive Übersetzer/Pegelwandler-Bausteine lösen gängige Übersetzungsprobleme und können sogar zusätzliche nützliche Funktionen wie Invertierung, Gegentaktausgang, Tri-State- oder Differenzfunktionalität bieten. Aber wie wäre es mit etwas weniger Komplexem, das breitere logische Spannungspegel und bidirektionale Kommunikation ermöglicht? Ein diskreter, kompakter MOSFET kann die Übersetzung mit hoher Frequenz und Effizienz durchführen. Die Pegelwandlung für die Kommunikation wie I²C und die direkte Verbindung von GPIO-Pin zu Pin wird mit diesen preiswerten Halbleitern und einigen zusätzlichen passiven Bauelementen erreicht. Bei richtiger Auswahl der MOSFETs sind höhere Logikspannungen wie 12 V oder 18 V möglich, die z. B. auch für die Überwachung von Automobilschaltungen verwendet werden können.

Hinweis: I²C im HS-Modus (High-Speed) erfordert möglicherweise ausgefeiltere Komponenten wie den bidirektionalen Übersetzer PCA9306 von NXP.

Beispiel BS170 (N-Kanal-Feldeffekttransistor mit Anreicherungsmodus)

Der BS170 wurde entwickelt, um den Durchlasswiderstand zu minimieren und gleichzeitig ein zuverlässiges und schnelles Schaltverhalten zu bieten, das für Schaltanwendungen mit niedriger Spannung und niedrigem Strom geeignet ist. Abbildung 1 zeigt die Anschlüsse, die für die Durchführung der grundlegenden Kommunikation oder der GPIO-Logikpegelwandlung erforderlich sind.

Abbildung 1: Einfache MOSFET-Schaltung zur Pegelwandlung für eine Busleitung.

Die logischen High-Pegel auf jeder Seite des MOSFETs werden durch Pull-up-Widerstände zu ihren jeweiligen Versorgungen erreicht, die die Umwandlung von I²C-Signalen im schnellen Modus (400 kHz) oder anderen ähnlich schnellen digitalen Schnittstellen ermöglichen. Das Gate des MOSFET wird auf der niedrigen Versorgungsspannung gehalten. Wenn kein Gerät die Busleitung auf einen Low-Pegel „herunterzieht“, wird die Busleitung an der „Source“-Leitung des MOSFETs durch die Niederspannungs-Pull-up-Widerstände auf einen High-Pegel „hochgezogen“. Die Gate/Source-Spannung (VGS) des MOSFETs liegt unter dem Schwellenwert, und der MOSFET ist nicht leitend. Dadurch kann die Busleitung am Drain des MOSFETs durch den Pull-up-Widerstand mit höherer Spannung nach oben gezogen werden. Die Busleitungen auf jeder Seite des MOSFETs werden auf HIGH gehalten, jedoch mit unterschiedlichen Spannungspegeln. Siehe Abbildung 2.

Abbildung 2: Logische Übersetzung der HIGH-Spannung.

Wenn das Niederspannungsgerät die Busleitung an der Source-Leitung des MOSFETs herunterzieht und das Gate an der Niederspannungsversorgung bleibt, steigt VGS über den Schwellenwert und der MOSFET beginnt zu leiten. Die Busleitung am Drain des MOSFETs wird nun ebenfalls nach unten gezogen. Siehe Abbildung 3.

Abbildung 3: Logische LOW-Spannungswandlung, ausgelöst durch ein Niederspannungsgerät.

Wenn das Hochspannungsgerät die Busleitung am Drain des MOSFETs herunterzieht, ermöglicht die Substratdiode des MOSFETs, dass auch die Source-Leitung teilweise heruntergezogen wird, da eine geringe Spannung über der Diode abfällt. Siehe Abbildung 4.

Abbildung 4: Nahezu logische LOW-Spannungswandlung, ausgelöst durch ein Hochspannungsgerät.

Wenn die Source-Leitung des MOSFETs teilweise nach unten gezogen wird, steigt die VGS über den Schwellenwert und der MOSFET beginnt zu leiten und überbrückt die Substratdiode. Siehe Abbildungen 5.

Abbildung 5: Vollständige logische LOW-Spannungswandlung, ausgelöst durch ein Hochspannungsgerät.

Die drei Zustände zeigen die übertragenen Logikpegel in beiden Richtungen des Bussystems an, unabhängig vom treibenden Abschnitt. Je nach den Fähigkeiten des MOSFETs sind viele Kombinationen von Hoch- und Niederspannungsversorgungen möglich. Unabhängig davon, ob es sich bei dem logischen Pegelkonflikt um einen Punkt-zu-Punkt-GPIO, einen Sensorausgang oder eine bidirektionale Mehrleitungskommunikation handelt, sind MOSFET-Pegelwandler ein nützliches Werkzeug. Abbildung 5 zeigt die Implementierung einer übersetzten, zweizeiligen, bidirektionalen Kommunikationsschaltung mit zwei MOSFETs.

Abbildung 6: Zweizeilige bidirektionale übersetzte Datenübertragungsschaltung.

Isolierung

Um zufällige Logikpegel zu vermeiden, wenn das Hochspannungsgerät abgeschaltet wird oder ein Stromausfall in der Hochspannungsversorgung auftritt, können zusätzliche MOSFETs „Drain to Drain“ eingesetzt werden, um die Hochspannungslogikbusleitungen zu isolieren.

Abbildung 7: Zweizeilige bidirektionale übersetzte Datenübertragungsschaltung.

Entwicklungsboards

Um mehr über die Logikpegelwandlung zu erfahren, bieten mehrere Hersteller Entwicklungsboards an, die mit MOSFETs oder Logikübersetzungsbausteinen sowie den erforderlichen passiven Peripheriekomponenten bestückt sind, um einen schnellen Anschluss und Experimente zu ermöglichen.

Zusammenfassung

Ein richtig gewählter MOSFET und Pull-up-Widerstand sind der Schlüssel zum Erfolg dieser einfachen, aber effektiven Methode der Logikwandlung. Typische Gerätedatenblätter enthalten die für Experimente erforderlichen Informationen. Pull-up-Widerstände für den BS170 im Bereich von 4,7 Kiloohm bis 10 Kiloohm dürften in den meisten Fällen gut funktionieren. Dedizierte Logikpegelwandler-ICs können auch zusätzliche Funktionen wie 15 kV ESD-Schutz an I/O- und Versorgungsspannungseingängen bieten.