Чи мій двосторонній перемикач рівня на основі MOSFET божевільний?

У мить дешевості я вирішив не замовляти перемикач рівня від 5 В до 3,3 В у Sparkfun, а натомість скласти його разом. Оригінальні схематичний використовував BSS138 MOSFET, але так як я люблю поверхневий монтаж пайки приблизно так само , як лікування кореневого каналу, я вирішив використовувати подібний здається MOSFET , який через отвір монтується і легко доступно з мого кращого постачальника.

Результати цього були неоптимальними. Коли витягували лінію 5В на землю, все було нормально - сторона 3,3 В пішла на 0,07 В. Але коли витягували 3,3 В на землю, лінія 5 В показала близько 4,14 В (інакше це було дотиком вище 5,1 В). Коли я ознайомився з детальними таблицями даних, а також оригінальною запискою програми Philips з цього питання, я прийшов до висновку, що проблема порогової напруги в затворі.

Змінюючи схематично і прив’язуючи ворота MOSFET до 5 В замість 3,3 В, обидві сторони, здається, працюють добре. Якщо тягнути будь-яку сторону низько, інша сторона знижується. Я, однак, не впевнений, що це насправді розумна справа. Моє розуміння оригінальної схеми недостатньо глибоке, щоб формувати розумну думку.

Чи буде ця модифікована схематична робота чи чи справді хороші результати, які я бачу, просто лунав чи попередник чогось вивільнення магічного диму?

Коротка відповідь

• У цій схемі Vth (ворота на джерело напруги, при якому MOSFET щойно увімкнено) є вирішальним. Vth повинен бути істотно нижчим, ніж Vh-Vl = 5V - 3.3V = 1.7V.

  BSS138 має Vth 0,8 / 1,3 / 1,5 хв / типовий / макс.
  Тож хоча умовно це було б "досить добре" як 1,7> 1,5, цей запас незручно малий.

  На жаль, альтернатива, яку ви вибрали, є навіть гіршою, ніж BSS138.
  FQN1N60C має Vth 2 / - / 4 В. Тобто в кращому випадку Vth 2V він вище необхідного 1,7 В, і він може мати Vth до 4В, що значно більше 1,7 В у цій програмі .

  Прийнятний (справедливий) TO92 MOSFET на складі в Digikey - це Zetex / Diodes Inc ZVNL110a .
  Це Vth 0,75 / - / 1,5 Вольт. Це приблизно те саме, що і BSS138.

Довше:

• BSS138 - це відносно шматок сміття. Він має своє місце, але він витягнутий за межі своїх безпечних можливостей у цій схемі. На жаль, альтернатива, яку ви вибрали, FQN1N60C, ще гірша.

• Підвищена напруга LV до напруги, еквівалентної HV, долає високе Vth значення FQN1N60C.

Причина, по якій ваша оригінальна схема працює погано, полягає в тому, що FQN1N60C є дуже жалючим зразком мистецтва MOSFET, а причина того, що ваша переглянута схема працює добре, також полягає в тому, що FQN1N60C є дуже прикрою зразком мистецтва MOSFET. Низький V-й MOSFET би працював належним чином у вихідній схемі та не вдавався в переглянутому.

Це відбувається тому, що в оригінальній схемі FQN1N60C Vth занадто високий для наявного Vth і не вмикається належним чином. MOSFET з достатньо низьким Vth включиться належним чином при наявній напрузі. У доопрацьованій схемі ви забезпечили FQN1N60C достатньою напругою на затворі в керованому стані, але не настільки, що вона буде працювати ненавмисно. Якщо ви використовуєте низький Vth MOSFET, він буде включений напругою долі, коли воно було призначене для вимкнення, і схема вийде з ладу.

Схема є надзвичайно розумною, Але розумність залежить від того, що MOSFET має достатню напругу на затворі, щоб управляти нею, коли TX_LV низький, але недостатньо напруги, щоб привести його в дію, коли TC_LV високий. Зазвичай LV = T_LV, коли TX_LV високий, тому MOSFET не бачить напруги на затворі. Збільшуючи LV до HV, ви забезпечуєте напругу на затворі (HV-LV), коли високий TX_LV. Оскільки HV-LV = 5-3,3 = 1,7 В, FQN1N60C не має помилкового тригера, оскільки практичний Vth> 1,7 В.

Нижче наведена оригінальна схема зсуву рівня.

BSS138 - це N-канальний MOSFET - тому він проводить, коли його затвор позитивний відносно джерела, звичайно він стікає вище, ніж його джерело, а внутрішній діод блокується, коли Vds + ve і веде, коли Vds від'ємний .

Нормальна робота
З високою TXLV і TXHV, ворота знаходяться на рівні LV (спочатку 3V3, джерело знаходиться на TX_LV = 3,3, тому Vgs = 0, тому FET вимкнено.
Джерело знаходиться в TX_LV, виведене туди R3.

Надішліть логіку 0 зліва направо.
Потягніть TX_LV низько. Джерело = 0V, ворота = 3V3. Отже Vgs = 3V3. Оскільки це> Vth BSS138 увімкнено. Оскільки джерело = 0V та FET увімкнено, TX_HV також буде знижено до мінімуму. Це було легко :-).

Надіслати логіку 0 праворуч ліворуч.
Потягніть TX_HV низько. Злив = 0. Ворота 3В3 через жорстке з'єднання.
Джерело = 3V3 (але див. Нижче) Отже: Vgs = 0. FET вимкнено. Vds = - 3V3.
АЛЕ BSS138 має внутрішній діод від S до D. Цей діод тепер буде вести, потягнувши TX_LV до падіння діода вище TX_HV.
Також легко.

ЗАРАЗ замініть BSS138 на FQN1N60C.
Vth MOSFET становить від> до >> 1,7 В з відхиленням від 5 В до 3V3.
Тепер, надсилаючи логіку 0 Вліво Вправо, джерело заземлення дає Vgs = 3V3 = <4V найгірший випадок. Якщо справжній Vth десь близько 1,7 В, схема буде якось працювати.

Підвищення НН до 5В працює як зараз Vgs = 5V.
АЛЕ, коли TX_LV високий, до MOSFET все ще є 5-3,3 = 1,7 В, навіть якщо це було 0 В, і раніше.

Якщо тепер замінити MOSFET, який має Vth <1,7V, він завжди буде увімкнено. тобто краща якість MOSFET працює гірше (або зовсім не працює). «Лікування» полягає у використанні MOSFET спочатку з Vth <до << 1,7V.