3.8. 电平转换

摄像头上的 GPIO 引脚在输出高电平时驱动约 3.3 V。另一侧的设备可能工作在 5 V（较老的微控制器、许多传感器板）或 1.8 V（较新的传感器、某些芯片间总线）。将两者直接相连有时是安全的，有时却会造成损坏；电平转换（level shifting）就是可靠地弥合这一差距的电路。

3.8.1. 为何直接跨电压驱动会损坏引脚

每个芯片的 I/O 焊盘都内置了一对保护二极管：一个从引脚连到地，一个从引脚连到芯片的供电轨。它们的作用是吸收静电放电（ESD）——一种由静电产生的短暂高压脉冲，会在搬动电路板时击中引脚。一个走过地毯的人可能携带数千伏的静电；触碰错误的引脚会在纳秒内把电荷转移到芯片上。上方的保护二极管会正向导通，在脉冲到达芯片内部晶体管之前将其安全地分流到供电轨。

当一个 5 V 信号持续施加到不耐 5 V 的 3.3 V 引脚上时，上方保护二极管会一直导通。这些二极管的尺寸是为短暂的 ESD 脉冲设计的，而非稳态电流；供电轨开始升高到 3.3 V 以上，二极管发热，最终引脚或片上稳压器损坏。

耐 5 V 的引脚使用不同的输入级——上方二极管接到更高的电源轨，或干脆没有——因此施加 5 V 无害。某块板子的引脚是否耐 5 V 因板而异；请查阅 OpenMV Cam 快速参考。

另一个方向也有自身的问题。一个 3.3 V 的 GPIO 输出高电平时在导线上产生约 3.3 V。一个需要 0.7 × Vcc 才能识别高电平的 5 V 接收器，其阈值在 3.5 V；3.3 V 可能被读为低电平或模棱两可。即便没有损坏，信号也无法可靠工作。

电平转换器同时解决了两个方向的问题。

3.8.2. 作为开关的 N-MOSFET

下面的电路使用单个 N 沟道 MOSFET。它有三个引脚——栅极、漏极和源极——其行为相当于一个由电压控制的开关。

控制输入是栅极与源极之间的电压，记作 Vgs（栅源电压）：

Vgs = (gate voltage) - (source voltage)

MOSFET 关心的是这个差值，而非任一引脚上的绝对电压。它的行为由 Vgs 决定：

  • 当 Vgs 高于 MOSFET 的阈值电压（对于小信号逻辑电平器件，通常约为 1 V）时，晶体管导通，电流自由地从漏极流向源极。

  • 当 Vgs 处于或低于 0 时，晶体管关断，几乎没有电流从漏极流向源极。

漏源通路是被开关的电流通路；Vgs 打开或关闭这个开关。

N-MOSFET 在漏极和源极之间还有一个体二极管，当漏极被拉低到比源极低约 0.6 V 以上时它会导通。该二极管是制造工艺的副产物；下面的双向转换器有意利用了它。

3.8.2.1. 接线规则

N-MOSFET 不是一个对称的三端器件。体二极管由源极（阳极）指向漏极（阴极），而 Vgs 是控制沟道的量。由此引出两条规则，每个 N-MOSFET 开关电路都必须遵守：

  • 源极接较低电压；漏极接较高电压。漏极接到较高电源轨时，体二极管反向偏置，不起作用。把它们交换过来，体二极管就会一直正向偏置：电流会从此时更高的源极经体二极管流向此时更低的漏极，无论栅极在做什么。MOSFET 不再是开关——它持续漏电，信号无法被关断，器件往往过热并损坏。

  • 栅极连到源极所在的电压轨。让栅极保持在源极静止时所处的电压轨上，可使空闲时 Vgs = 0，远低于阈值；MOSFET 保持牢牢关断，直到有东西要么把栅极驱动到源极以上（下面的单向电路），要么把源极拉到栅极以下（双向电路）。若让栅极悬空在别处，关断状态就不再确定——噪声、漏电流或杂散电容都可能使 Vgs 漂移到阈值以上，从而随机地使 MOSFET 导通。

违反任一规则都会把电平转换器变成一条漏电、不可靠的通路。下面两个转换器电路都遵循这些规则：源极在较低侧，漏极在较高侧，栅极连接或由源极所在的电源轨驱动。

3.8.3. 单向 3.3 V → 5 V

最简单的电平转换器把单方向信号从摄像头的 GPIO 推送到 5 V 输入。单个 N-MOSFET 加两个电阻即可完成这项工作。

一个接成反相器的 N 沟道 MOSFET。3.3 V 的 GPIO 驱动栅极；源极接地；漏极 通过 10 kΩ 上拉到 5 V；漏极 同时引出作为 5 V 输出。

一个 N-MOSFET 将 3.3 V 信号电平转换（并反相）为 5 V 输出。

当 GPIO 输出高电平（栅极上 3.3 V）时，Vgs 高于阈值，MOSFET 导通；漏极被拉低到约 0 V。当 GPIO 输出低电平（栅极上 0 V）时，MOSFET 关断，10 kΩ 上拉电阻把漏极拉到 5 V。

输出是输入的反相。软件可以把信号翻转回来（写入 0 表示“5 V 输出高电平”），或者级联两级以两倍的元件数量得到非反相信号。

3.8.4. 用单个 N-MOSFET 实现双向转换

对于一条必须能从任一侧驱动的线——一条任一端都可以把线拉低的共享总线——标准电路是每条线一个 N-MOSFET，两侧各有一个上拉到各自电源。

一个双向 N-MOSFET 电平转换器。该 MOSFET 桥接左侧的 3.3 V 信号线和右侧的 5 V 信号线；栅极连到 3.3 V 电源，源极连到 3.3 V 信号，漏极连到 5 V 信号；每条信号 线都有各自上拉到其电源的上拉电阻。

单个 N-MOSFET 桥接一条 3.3 V 线和一条 5 V 线；每一侧都有各自的上拉。

栅极连到 3.3 V 电源，因此 MOSFET 的行为取决于哪一侧在驱动：

  • 两侧都空闲。源极经左侧上拉位于 3.3 V；栅极在 3.3 V；Vgs = 0；MOSFET 关断。5 V 侧经右侧上拉浮到 5 V。两侧都读到高电平。

  • 3.3 V 侧拉低。源极降到 0 V；Vgs 升到阈值以上；MOSFET 导通并从源极向漏极导通电流。5 V 侧经晶体管被拉低。

  • 5 V 侧拉低。漏极降到 0 V；MOSFET 的体二极管（漏极到源极）变为正向偏置并导通；源极（3.3 V 侧）被拉低到约 0.6 V。此时 Vgs 超过阈值，MOSFET 完全导通，使两侧都变为低电平。

BSS138 是这种方案的标准 N-MOSFET；具有类似栅极阈值电压的小信号逻辑电平 N-MOSFET 在这里的行为都相同。