Czy mój dwukierunkowy przełącznik poziomu oparty na MOSFET jest szalony?

W chwili taniej postanowiłem nie zamawiać w Sparkfun dźwigni zmiany poziomu 5 na 3,3, ale sam ją zmontowałem. Oryginalny schemat zastosowano BSS138 MOSFET, ale ponieważ lubię montażu powierzchniowego lutowania o ile leczenia kanałowego, postanowiłem użyć podobnego MOSFET pozorną , który jest zamontowany otwór przelotowy i łatwo dostępny z mojego preferowanego dostawcy.

Wyniki tego były nieoptymalne. Podczas ciągnięcia linii 5 V do ziemi wszystko było w porządku - strona 3,3 V poszła do 0,07 V. Ale przy ciągnięciu 3,3 V do ziemi, linia 5 V pokazywała około 4,14 V (inaczej był to dotyk powyżej 5,1 V). Po bliższym zapoznaniu się z kartami danych, a także oryginalną notą aplikacyjną Philips na ten temat, zacząłem dochodzić do wniosku, że problemem jest napięcie progowe.

Zmieniając schemat i wiążąc bramkę MOSFET-a na 5 V zamiast 3,3 V, obie strony wydają się działać dobrze. Pociągnięcie jednej ze stron nisko powoduje, że druga strona spada. Nie jestem jednak wcale pewien, czy to właściwie rozsądna rzecz. Moje rozumienie oryginalnego schematu nie jest wystarczająco głębokie, aby sformułować rozsądną opinię.

Czy ten zmodyfikowany schemat zadziała, czy też obecne dobre wyniki, które widzę, są zwykłą fuksą lub prekursorem czegoś, co uwalnia magiczny dym?

Krótka odpowiedź

• W tym obwodzie kluczowy jest Vth (napięcie bramki, przy którym właśnie włączany jest MOSFET). Vth powinna być znacznie niższa niż Vh-Vl = 5 V - 3,3 V = 1,7 V.

  BSS138 ma Vth 0,8 / 1,3 / 1,5 min / typowo / maks.
  Zatem choć teoretycznie byłoby to „wystarczająco dobre” jako 1,7> 1,5, margines ten jest niewygodnie niewielki.

  Niestety, wybrana przez ciebie alternatywa jest jeszcze gorsza niż BSS138.
  FQN1N60C ma Vth 2 / - / 4 V. tzn. W najlepszym przypadku Vth 2 V jest wyższy niż wymagany 1,7 V i może mieć Vth aż 4 V, co jest znacznie więcej niż 1,7 V w tym zastosowaniu .

  Dopuszczalnym (właśnie) TOOS MOSFET w magazynie w Digikey jest Zetex / Diodes Inc ZVNL110a .
  Ma Vth 0,75 / - / 1,5 wolta. To mniej więcej tyle samo, co BSS138.

Dłużej:

• BSS138 to stosunkowo kawał śmieci. Ma swoje miejsce, ale jest rozciągnięty poza swoje bezpieczne możliwości w tym obwodzie. Niestety wybrana przez Ciebie alternatywa, FQN1N60C, jest jeszcze gorsza.

• Twoje napięcie podwyższające LV do napięcia równoważnego HV pokonuje wysoką wartość Vth FQN1N60C.

Powodem, dla którego twój oryginalny obwód działa słabo, jest to, że FQN1N60C jest bardzo przykrym egzemplarzem sztuki MOSFET, a powodem, dla którego twój poprawiony obwód działa dobrze, jest również fakt, że FQN1N60C jest bardzo przykrym okazem sztuki MOSFET. Niski Vth MOSFET działałby poprawnie w oryginalnym obwodzie i zawodził w poprawionym.

Wynika to z faktu, że w oryginalnym obwodzie FQN1N60C Vth jest zbyt wysoki dla dostępnego Vth i nie włącza się prawidłowo. MOSFET o wystarczająco niskiej wartości Vth włączałby się prawidłowo przy dostępnym napięciu. W zmienionym obwodzie podałeś FQN1N60C wystarczające napięcie bramki w stanie roboczym, ale nie na tyle, aby działało niezamierzone. Jeśli użyjesz niskiego V MOSFET, zostanie on włączony przez napięcie losowe dostępne, gdy ma być wyłączone, a obwód ulegnie awarii.

Obwód jest wyjątkowo sprytny, ALE jego spryt zależy od tego, czy MOSFET ma wystarczające napięcie bramki, aby je wysterować, gdy TX_LV jest niskie, ale niewystarczające napięcie, aby je wysterować, gdy TC_LV jest wysokie. Zwykle LV = T_LV, gdy TX_LV jest wysokie, więc MOSFET nie widzi napięcia bramki. Zwiększając LV do HV, podajesz napięcie bramki (HV-LV), gdy TX_LV jest wysokie. Ponieważ HV-LV = 5-3,3 = 1,7 V, FQN1N60C nie wyzwala fałszywie, ponieważ jego praktyczna Vth wynosi> 1,7 V.

Poniżej znajduje się oryginalny schemat obwodu przełącznika poziomu.

BSS138 jest MOSFETEM kanału N - więc przewodzi, gdy jego bramka jest dodatnia w stosunku do źródła, zwykle drenaż jest wyższy niż jego źródło, a wewnętrzna dioda ciała blokuje się, gdy Vds jest + ve, i przewodzi, gdy Vds jest ujemne .

Normalna praca
Przy wysokim TXLV i TXHV bramka znajduje się w LV (pierwotnie 3V3, źródło w TX_LV = 3,3, więc Vgs = 0, więc FET jest wyłączone.
Źródło jest w TX_LV ciągnięte tam przez R3.

Wyślij logikę 0 od lewej do prawej.
Pociągnij TX_LV nisko. Źródło = 0 V, bramka = 3 V3. Więc Vgs = 3V3. Ponieważ jest to> Vth BSS138 jest włączony. Ponieważ źródło = 0 V i FET są włączone, TX_HV również zostanie obniżone do niskiego poziomu. To było łatwe :-).

Wyślij logikę 0 od prawej do lewej.
Pociągnij TX_HV nisko. Odpływ = 0. Brama ma 3V3 poprzez twarde połączenie.
Źródło = 3V3 (ale patrz poniżej) Więc: Vgs = 0. FET jest wyłączony. Vds = - 3V3.
ALE BSS138 ma wewnętrzną diodę S do D. Ta dioda będzie teraz przewodzić, ciągnąc TX_LV w dół do spadku diody powyżej TX_HV.
Również łatwe.

TERAZ zamień BSS138 na FQN1N60C.
Vth MOSFET jest> do >> 1,7 V marginesu między 5 V a 3 V 3.
Teraz, wysyłając logikę 0 LEWO DO PRAWA, źródło uziemienia podaje Vgs = 3V3 = <4V najgorszy przypadek. Jeśli prawda Vth wynosi około 1,7 V, obwód będzie działał.

Podniesienie LV do 5 V działa tak jak teraz Vgs = 5 V.
ALE gdy TX_LV jest wysokie, nadal jest 5-3,3 = 1,7 V jazdy do MOSFET, nawet jeśli powinno to wynosić 0 V i było wcześniej.

Jeśli teraz wymienisz MOSFET, który ma V <1,7 V, zawsze będzie włączony. tj. MOSFET lepszej jakości działa gorzej (lub wcale). „Lekarstwem” jest użycie MOSFET-u początkowo z Vth <do << 1,7 V.