Il mio shifter di livello bidirezionale basato su MOSFET è pazzo?

In un momento di convenienza, ho deciso di non ordinare un cambio da 5 a 3.3 v da Sparkfun, ma invece di metterlo insieme da solo. Lo schema originale utilizzava un MOSFET BSS138 , ma dal momento che mi piace la saldatura per montaggio superficiale tanto quanto il trattamento del canale radicolare, ho deciso di utilizzare un MOSFET apparentemente simile che è montato sul foro passante e facilmente disponibile dal mio fornitore preferito.

I risultati di questo sono stati non ottimali. Quando si tira a terra la linea 5v, tutto andava bene - il lato 3.3v è andato a 0.07v. Ma quando si tira a terra 3.3v, la linea 5v mostrava circa 4.14v (altrimenti era un tocco sopra 5.1v). A una lettura più ravvicinata dei fogli dati coinvolti, nonché della nota originale sull'applicazione Philips in materia, ho iniziato a giungere alla conclusione che il voltaggio della soglia del gate era il problema.

Modificando lo schema e legando la porta del MOSFET a 5v anziché 3,3v, entrambe le parti sembrano funzionare bene. Tirando entrambi i lati in basso, l'altro lato si abbassa. Tuttavia, non sono affatto sicuro che questa sia una cosa sana di mente da fare. La mia comprensione dello schema originale non è abbastanza profonda da formare un'opinione ragionevole.

Funzionerà questo schema schematico modificato, o sono gli attuali buoni risultati che sto vedendo un semplice colpo di fortuna o un precursore di qualcosa che rilascia fumo magico?

Risposta breve

• In questo circuito Vth (la tensione gate-source alla quale il MOSFET è appena acceso) è cruciale. Vth dovrebbe essere sostanzialmente inferiore a Vh-Vl = 5V - 3.3V = 1.7V.

  Il BSS138 ha un Vth di 0,8 / 1,3 / 1,5 min / tipico / max.
  Quindi, sebbene teoricamente sarebbe "abbastanza buono" qui come 1,7> 1,5, quel margine è scomodamente piccolo.

  Sfortunatamente, l'alternativa che hai scelto è persino peggiore del BSS138.
  L'FQN1N60C ha un Vth di 2 / - / 4 V. vale a dire nel migliore dei casi Vth di 2V è superiore a 1,7 V richiesti e può avere un Vth fino a 4 V che è di gran lunga superiore a 1,7 V in questa applicazione .

  Un MOSFET TO92 (solo) accettabile in stock presso Digikey è lo Zetex / Diodes Inc ZVNL110a .
  Questo ha un Vth di 0,75 / - / 1,5 Volt. Questo è più o meno lo stesso del BSS138.

Più a lungo:

• Il BSS138 è, relativamente, un pezzo di spazzatura. Ha il suo posto, ma si estende oltre le sue capacità sicure in questo circuito. Sfortunatamente, l'alternativa che hai scelto, un FQN1N60C, è anche peggio.

• L'aumento della tensione LV a una tensione equivalente a HV supera l'alto valore Vth dell'FQN1N60C.

Il motivo per cui il tuo circuito originale funziona male è perché FQN1N60C è un esemplare molto dispiaciuto dell'arte MOSFET, e il motivo per cui il tuo circuito modificato funziona bene è anche perché FQN1N60C è un esemplare molto dispiaciuto dell'arte MOSFET. Un MOSFET Vth basso funzionerebbe correttamente nel circuito originale e fallire in quello revisionato.

Questo perché nel circuito originale l'FQN1N60C Vth è troppo alto per il Vth disponibile e non si accende correttamente. Un MOSFET con Vth abbastanza basso si accenderebbe correttamente con la tensione disponibile. Nel circuito revisionato avete fornito all'FQN1N60C una tensione di gate sufficiente nello stato di funzionamento ma non così tanto da far funzionare involontariamente. Se si utilizzava un MOSFET Vth basso, questo sarebbe attivato dalla tensione del destino disponibile quando doveva essere spento e il circuito non avrebbe funzionato.

Il circuito è estremamente intelligente, ma la sua intelligenza dipende dal fatto che il MOSFET abbia abbastanza tensione di gate per pilotarlo quando TX_LV è basso ma non abbastanza per guidarlo quando TC_LV è alto. Di solito LV = T_LV quando TX_LV è alto, quindi il MOSFET non rileva alcuna tensione di gate. Aumentando LV in HV si fornisce una tensione di gate di (HV-LV) quando TX_LV è alto. Poiché HV-LV = 5-3.3 = 1.7V, FQN1N60C non si innesca in modo falso in quanto il Vth pratico è> 1,7V.

Di seguito è riportato lo schema circuitale del cambio livello originale.

Il BSS138 è un MOSFET a canale N - quindi conduce quando il suo gate è positivo rispetto alla sorgente, è normale che il drain sia più alto della sorgente e il diodo del corpo interno si blocchi quando Vds è + ve e conduce quando Vds è negativo .

Funzionamento normale
Con TXLV e TXHV alti, il gate è su LV (originariamente 3V3, la sorgente è su TX_LV = 3.3 quindi Vgs = 0 quindi FET è disattivata. La
sorgente è su TX_LV trascinata lì da R3.

Invia logica 0 da sinistra a destra.
Tirare TX_LV in basso. Sorgente = 0 V, gate = 3 V3. Quindi Vgs = 3V3. Come è> Vth BSS138 è acceso. Poiché source = 0V e FET sono attivi, anche TX_HV verrà portato al minimo. È stato facile :-).

Invia logica 0 da destra a sinistra.
Tirare TX_HV basso. Drain = 0. Il gate è 3V3 tramite connessione rigida.
Sorgente = 3V3 (ma vedi sotto) Quindi: Vgs = 0. FET è disattivato. Vds = - 3V3.
MA il BSS138 ha un diodo interno da S a D. Questo diodo ora conduce, portando TX_LV verso il basso fino a una caduta di diodi sopra TX_HV.
Anche facile.

ORA sostituire BSS138 con FQN1N60C.
Il Vth del MOSFET è> a >> 1,7 V di margine tra 5 V e 3 V 3.
Ora, nell'invio della logica 0 SINISTRA A DESTRA, la sorgente di messa a terra fornisce Vgs = 3V3 = <4V nel caso peggiore. Se il Vth vero è da qualche parte intorno a 1,7 V, il circuito funzionerà.

Alzare LV a 5V funziona come ora Vgs = 5V.
MA quando TX_LV è alto ci sono ancora 5-3.3 = 1.7V drive a MOSFET, anche se dovrebbe essere 0V, ed era prima.

Se ora si sostituisce il MOSFET che ha un Vth <1,7 V, verrà sempre acceso. cioè un MOSFET di qualità migliore funziona peggio (o per niente). La "cura" è usare inizialmente un MOSFET con Vth <a << 1.7V.