I2C总线—电平转换

我们先来看一张图，熟悉I2C的人一看，这不是I2C的level shifter电路嘛，在Philip的I2C标准里面有，没有啥复杂的。

我们先来解读下这张图，I2C的level shifter是通过NMOS管来实现的，有人可能会问，为什么不用PMOS呢？一般情况下，只有在外部电源输入端，我们设计INRUSH电流缓启动或者防反插电路的时候才会用到PMOS。

理由很简单， PMOS是低电平打开，电源插入瞬间系统其实还没有用于打开MOSFET的高电平，所以只能选择PMOS， 而NMOS体积小，RDSON低，在系统内部会更多选择NMOS。

我们来举个PMOS的用例：

言归正传，我们来继续讨论I2C问题。首先我们要牢牢记住，I2C是Open-drain，所以level shifter电路的两边都是上拉电阻Rp的，下面讲下这个电路是怎么工作的。

下图是两张I2C的基本操作时序图，分别是Master对Slave所做的读和写：

我们可以看到， SDA一定是双向的，既然是双向的，那么就有四种情况，我们来一一解释level shifter是怎么来cover它们的。（注意：这里面会含有一个Facebook的问题，不要忘记自测哦。）

01

第一步，Master往Slave发数据1

**1) **左边MasterSDA_1为输出，驱H-3.3V，NMOS的VGS=0, 此时NMOS关闭；

**2) **右边的Slave的SDA_2是输入，对外呈现高阻；

**3) **NMOS关断和SLAVE为输入，导致SDA_2悬空；

**4) **最终SDA_2依靠RP2上拉到5V，完成3.3V到5V的转换。

02

第二步，Master往Slave发数据0

1) 左边MasterSDA_1为输出，驱Low=0，NMOS的VGS>0, 此时NMOS打开；

**2) **右边的Slave的SDA_2是输入，对外呈现高阻；

3) NMOS打开和SLAVE为输入，导致SDA_2=SDA_1=0；

**4) **最终SDA_2被SDA_1拉到0，完成低电平的转换。

03

第三步，Slave往Master发数据1

1) 右边Slave SDA_2为输出，驱H-5V；

**2) **左边Master SDA_1为输入，对外高阻, 被RP1上拉到3.3V；

**3) **NMOS 因为VGS=0一直关闭；

**4) **NMOS关闭，Master SDA_1维持3.3V高电平，完成电平转换。

04

第三步，Slave往Master发数据0

**1) **右边Slave SDA_2为输出，驱LOW；

**2) **左边Master SDA_1为输入，对外高阻, 被RP1上拉到3.3V；

**3) **NMOS 因为VGS=0一直关闭；

**4) **NMOS关闭，Master SDA_1为3.3V高电平。

问题来了，我们看到右边的SDA_2位Low，但是左边的是SDA_1位High，那不是失败了嘛，不可能啊，这个电路是好的啊。

我们来看看下一步会发生什么，其实这个问题没有那么难，仔细看看这张图，还是比较容易发现线索的。

我们来揭晓答案： 大家看看上图的NMOS下面多了一个二极管，我们把这个二极管叫做Body Diode，它会在这个时候发挥作用。

**5) **由于左边SDA_1为高，右边SDA_2为LOW, Body Diode导通；

**6) **SDA_1被拉低，导致NMOS VGS>0 后打开；

**7) **NOMO打开后，SDA_1和SDA_2相当于短在一起；

**8) **最终左边SDA_1被右边的SDA_2拉低变为LOW。

我们看到由于体二极管的作用，打开NMOS管，使得右边Slave输出的L=0顺利到达左边的Master SDA_1输入端。