3.8. 電壓位準轉換

相機上的 GPIO 接腳在輸出高電位時約驅動 3.3 V。另一側的裝置可能以 5 V 運作（較舊的微控制器、許多感測器板）或 1.8 V 運作（較新的感測器、某些晶片對晶片匯流排）。將兩者直接相連有時安全、有時具破壞性；電壓位準轉換（level shifting）就是可靠橋接這道落差的電路。

3.8.1. 為何直接跨電壓驅動會傷害接腳

每顆晶片的 I/O 接墊都有一對內建的保護二極體：一個從接腳通往接地、另一個從接腳通往晶片的供電軌。它們的作用是吸收靜電放電（ESD）——一種來自靜電、短暫且高壓的尖峰脈衝，會在處理電路板時打到接腳上。一個剛走過地毯的人可能帶有數千伏特的靜電；觸碰到不該碰的接腳，會在數奈秒內把這些電荷轉移到晶片上。上方的保護二極體會正向偏壓，在脈衝抵達晶片內部的電晶體之前，安全地將其分流到供電軌中。

當把 5 V 訊號持續施加在一個不耐 5 V 的 3.3 V 接腳上時，上方的保護二極體會永遠導通。這些二極體是針對短暫的 ESD 脈衝設計，而非穩態電流；供電軌會開始升高到 3.3 V 以上，二極體發熱，最終不是接腳燒毀，就是晶片內的電壓調節器失效。

耐 5 V 的接腳採用不同的輸入級——上方二極體接到更高的電軌或根本不存在——因此施加 5 V 並無害。某塊板子的接腳是否耐 5 V 因板而異；請查閱 OpenMV Cam 快速參考。

另一個方向也有自己的問題。一個 3.3 V 的 GPIO 驅動高電位時，在導線上產生約 3.3 V。一個需要 0.7 × Vcc 才能辨識為高的 5 V 接收端，其閾值在 3.5 V；3.3 V 可能被讀成低電位或模稜兩可。即使沒有造成損壞，訊號也無法可靠運作。

電壓位準轉換器可同時解決這兩個方向。

3.8.2. 作為開關的 N-MOSFET

下方的電路使用單顆 N 通道 MOSFET。它有三支接腳——閘極（gate）、汲極（drain）與源極（source）——其行為如同一個由電壓控制的開關。

控制輸入是閘極與源極之間的電壓，寫作 Vgs（閘源電壓）：

Vgs = (gate voltage) - (source voltage)

MOSFET 在意的是這個差值，而非任一接腳上的絕對電壓。其行為由 Vgs 決定：

  • 當 Vgs 高於 MOSFET 的閾值電壓（對於小訊號邏輯位準元件，通常約為 1 V）時，電晶體導通，電流可自汲極自由流向源極。

  • 當 Vgs 等於或低於 0 時，電晶體截止，幾乎沒有電流從汲極流向源極。

汲極到源極的路徑就是受開關控制的電流路徑；Vgs 負責開啟或關閉那個開關。

N-MOSFET 在汲極與源極之間還有一個體二極體（body diode），當汲極被拉到比源極低超過約 0.6 V 時便會導通。這個二極體是製程的副作用；下方的雙向轉換器則刻意加以利用。

3.8.2.1. 接線規則

N-MOSFET 並非對稱的三端元件。體二極體由源極（陽極）指向汲極（陰極），而控制通道的是 Vgs。由此衍生出兩條規則，且每一個 N-MOSFET 開關電路都必須遵守：

  • 源極接較低電壓；汲極接較高電壓。 當汲極接在較高電軌時，體二極體為逆向偏壓而不起作用。若把兩者對調，體二極體就會一直處於正向偏壓：電流會不論閘極在做什麼，都從現在較高的源極經由體二極體流向現在較低的汲極。MOSFET 不再是開關——它會持續漏電、訊號無法關閉，且元件常因此過熱失效。

  • 閘極繫接到源極所在的電壓軌。 將閘極維持在源極靜止時所在的電軌上，可使閒置時 Vgs = 0、遠低於閾值；MOSFET 會穩固地保持截止，直到某物把閘極驅動到高於源極（下方的單向電路），或把源極拉到低於閘極（雙向電路）為止。若讓閘極懸浮在其他地方，截止狀態就不再有明確定義——雜訊、漏電或雜散電容都可能使 Vgs 漂移到閾值以上，隨機地讓 MOSFET 導通。

違反任一規則都會讓電壓位準轉換器變成漏電、不可靠的路徑。下方的兩個轉換電路皆遵循這些規則：源極在較低側、汲極在較高側、閘極繫接或由源極的電軌驅動。

3.8.3. 單向 3.3 V → 5 V

最簡單的電壓位準轉換器把單一方向的訊號從相機的 GPIO 推入 5 V 輸入。單顆 N-MOSFET 加上兩個電阻即可完成。

一顆接成反相器的 N 通道 MOSFET。3.3 V 的 GPIO 驅動閘極；源極接地；汲極 透過 10 kΩ 上拉到 5 V；汲極 同時也作為 5 V 輸出取出。

一顆 N-MOSFET 把 3.3 V 訊號做電壓位準轉換（並反相）成 5 V 輸出。

當 GPIO 驅動高電位（閘極為 3.3 V）時，Vgs 高於閾值，MOSFET 導通；汲極被拉低到約 0 V。當 GPIO 驅動低電位（閘極為 0 V）時，MOSFET 截止，10 kΩ 上拉電阻把汲極帶到 5 V。

輸出是輸入的反相。軟體可以把訊號翻轉回來（寫入 0 表示「5 V 輸出為高」），或串接兩級以取得非反相訊號，代價是元件數量加倍。

3.8.4. 以單顆 N-MOSFET 達成雙向

對於必須能從任一側驅動的線路——一條任一端都能把線拉低的共用匯流排——標準電路是每條線一顆 N-MOSFET，並對每一側的供電各配一個上拉電阻。

一個雙向 N-MOSFET 電壓位準轉換器。MOSFET 橋接左側的 3.3 V 訊號線與右側的 5 V 訊號線；閘極接到 3.3 V 供電、源極接到 3.3 V 訊號、汲極接到 5 V 訊號；每條訊號 線都各有自己接往其供電的上拉電阻。

單顆 N-MOSFET 橋接一條 3.3 V 與一條 5 V 線路；每一側各有自己的上拉電阻。

閘極繫接到 3.3 V 供電，因此 MOSFET 的行為取決於哪一側在驅動：

  • 兩側皆閒置。 源極經由左側上拉維持在 3.3 V；閘極為 3.3 V；Vgs = 0；MOSFET 截止。5 V 側經由右側上拉浮升到 5 V。兩側皆讀為高。

  • 3.3 V 側拉低。 源極降到 0 V；Vgs 升到閾值以上；MOSFET 導通並從源極導通到汲極。5 V 側透過電晶體被拉低。

  • 5 V 側拉低。 汲極降到 0 V；MOSFET 的體二極體（汲極到源極）變為正向偏壓並導通；源極（3.3 V 側）被拉低到約 0.6 V。Vgs 隨之超過閾值，MOSFET 完全導通，使兩側皆為低。

BSS138 是這種電路的標準 N-MOSFET；具有相近閘極閾值電壓的小訊號邏輯位準 N-MOSFET 在此處的行為都相同。