¿Mi cambio de nivel bidireccional basado en MOSFET es insano?

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En un momento de bajo costo, decidí no pedir un cambiador de nivel de 5v a 3.3v de Sparkfun, sino en lugar de hacerlo yo mismo. El esquema original utilizó un BSS138 , pero como disfruto de la soldadura de montaje superficial tanto como el tratamiento del conducto radicular, decidí usar un MOSFET de apariencia similar que se monta en un orificio pasante y está fácilmente disponible en mi proveedor preferido.

Los resultados de esto fueron subóptimos. Al jalar la línea de 5 voltios al suelo, todo estaba bien, el lado de 3.3 voltios fue a 0.07 voltios. Pero al tirar del 3.3v al suelo, la línea de 5v mostró alrededor de 4.14v (de lo contrario era un toque por encima de 5.1v). En una lectura más detallada de las hojas de datos involucradas, así como la nota de aplicación original de Philips sobre el tema, comencé a llegar a la conclusión de que el umbral de voltaje de la compuerta era el problema.

Al alterar el esquema y atar la compuerta del MOSFET a 5v en lugar de 3.3v, ambos lados parecen funcionar bien. Si se baja uno de los lados, el otro lado baja. Sin embargo, no estoy del todo seguro de que esto sea realmente una cosa sensata. Mi comprensión del esquema original no es lo suficientemente profunda como para formar una opinión sensata.

¿Funcionará este esquema modificado, o son los buenos resultados actuales que estoy viendo simplemente por casualidad o como un precursor de algo que libera humo mágico?

    
pregunta Jon Bright

1 respuesta

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Respuesta corta

  • En este circuito Vth (la tensión de la fuente a la fuente en la que se acaba de encender el MOSFET) es crucial. Vth debe ser sustancialmente más bajo que Vh-Vl = 5V - 3.3V = 1.7V.

    El BSS138 tiene un Vth de 0.8 / 1.3 / 1.5 min / typical / max.
    Entonces, aunque en teoría, sería "suficientemente bueno" aquí como 1.7 > 1.5, ese margen es incómodamente pequeño.

    Desafortunadamente, la alternativa que eligió es incluso peor que la BSS138.
    El FQN1N60C tiene un Vth de 2 / - / 4 V. Es decir, en su mejor caso, Vth de 2V es mayor que el 1.7V requerido y puede tener un Vth de hasta 4V, que es mucho más que 1.7V en esta aplicación .

    Un MOSFET TO92 aceptable (solo) disponible en Digikey es el Zetex / Diodes Inc ZVNL110a .
    Esto tiene un Vth de 0.75 / - / 1.5 voltios. Esto es casi lo mismo que el BSS138.

Más largo:

  • El BSS138 es, relativamente, un trozo de basura. Tiene su lugar pero se extiende más allá de sus capacidades seguras en este circuito. Desafortunadamente, la alternativa que eligió, una FQN1N60C, es aún peor.

  • Su aumento de voltaje LV a un voltaje equivalente a HV supera el alto valor Vth del FQN1N60C.

La razón por la que su circuito original funciona mal es porque el FQN1N60C es un ejemplar muy lamentable del arte MOSFET, y la razón por la que su circuito revisado funciona bien también es porque el FQN1N60C es un ejemplar muy lamentable del arte MOSFET. Un MOSFET de Vth bajo funcionaría correctamente en el circuito original y fallaría en el revisado.

Esto se debe a que, en el circuito original, la FQN1N60C Vth es demasiado alta para la Vth disponible y no se enciende correctamente. Un MOSFET con una Vth suficientemente baja se activaría adecuadamente con el voltaje disponible. En el circuito revisado, proporcionó al FQN1N60C suficiente voltaje de compuerta en el estado operado, pero no tanto como para que sea operado involuntariamente. Si utilizara un MOSFET de Vth bajo, se activaría con el voltaje de destino disponible cuando estaba destinado a estar apagado y el circuito fallaría.

El circuito es extremadamente inteligente, PERO su inteligencia depende de que el MOSFET tenga suficiente voltaje de compuerta para que funcione cuando TX_LV es bajo, pero no lo suficiente como para que funcione cuando TC_LV sea alto. Por lo general, LV = T_LV cuando TX_LV es alto, por lo que el MOSFET ve el voltaje de compuerta no . Al aumentar LV a HV, proporciona un voltaje de puerta de (HV-LV) cuando TX_LV es alto. Como HV-LV = 5-3.3 = 1.7V, el FQN1N60C no desencadena falsamente, ya que es práctico Vth es > 1.7V.

A continuación se muestra el diagrama del circuito de cambio de nivel original.

El BSS138 es un MOSFET de canal N, por lo que se conduce cuando su compuerta es positiva en relación con la fuente, es habitual que su drenaje sea más alto que su fuente, y el diodo interno del cuerpo se bloquea cuando Vds es + ve y conduce cuando Vds es negativo.

Funcionamientonormal
ConTXLVyTXHValto,lapuertaestáenLV(originalmente3V3,lafuenteestáenTX_LV=3.3,asíqueVgs=0,porloqueFETestádesactivado.)LafuenteestáenTX_LVtiradaallíporR3.

Envíalalógica0deizquierdaaderecha.
TiredeTX_LVbajo.Fuente=0V,puerta=3V3.EntoncesVgs=3V3.Comoestoes>VthBSS138estáencendido.Comofuente=0VyFETestáactivado,TX_HVtambiénsereducirá.Esofuefácil:-).

Enviarlógica0dederechaaizquierda.
TiredeTX_HVbajo.Drenaje=0.Lapuertaes3V3atravésdeunaconexióndura.
Fuente=3V3(perovermásabajo)Entonces:Vgs=0.FETestádesactivado.Vds=-3V3.
PEROelBSS138tieneundiodointernoSaD.Estediodoahoraconducirá,bajandoTX_LVaunacaídadediodoporencimadeTX_HV.
Tambiénesfácil.

AHORAreemplaceBSS138conFQN1N60C.
LaVthdeMOSFETes>a>>Margen1.7Ventre5Vy3V3.
Ahora,alenviarlalógica0IZQUIERDAADERECHA,lafuentedeconexiónatierradaVgs=3V3=<Peorcaso4V.SilaVthverdaderaestáenalgúnlugaralrededorde1.7V,elcircuitofuncionará.

ElaumentodeLVa5VfuncionacomoahoraVgs=5V.
PERO,cuandoTX_LVesalto,todavíahay5-3.3=1.7VenlaunidaddeMOSFET,aunquedeberíaser0V,yfueanterior.

SiahorareemplazaelMOSFETquetieneunVth<1,7Vsiempreestaráencendido.esdecir,unMOSFETdemejorcalidadfuncionapeor(onofunciona).La"cura" es utilizar un MOSFET inicialmente con Vth < a < < 1.7V.

    
respondido por el Russell McMahon

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