3.8. Dịch chuyển mức điện áp

Một chân GPIO trên camera tạo ra khoảng 3,3 V khi ở mức cao. Thiết bị ở phía kia có thể chạy ở 5 V (vi điều khiển cũ, nhiều bo mạch cảm biến) hoặc 1,8 V (cảm biến mới hơn, một số bus chip-to-chip). Kết nối trực tiếp hai bên đôi khi an toàn và đôi khi gây hỏng hóc; dịch chuyển mức điện áp là mạch điện giúp thu hẹp khoảng cách đó một cách đáng tin cậy.

3.8.1. Tại sao lái trực tiếp qua điện áp khác nhau có thể gây hỏng chân

Mỗi chân I/O của chip đều có một cặp diode bảo vệ tích hợp: một cái từ chân xuống đất, một cái từ chân lên thanh cấp nguồn của chip. Chúng có tác dụng hấp thụ phóng tĩnh điện (ESD) -- một xung điện áp cao, ngắn hạn từ tĩnh điện có thể tác động lên chân khi xử lý bo mạch. Một người vừa đi trên thảm có thể mang vài kilovolt tĩnh điện; chạm vào chân sai sẽ truyền điện tích đó vào chip trong vài nano giây. Diode bảo vệ phía trên phân cực thuận và dẫn xung an toàn vào thanh cấp nguồn trước khi nó đến các transistor bên trong chip.

Khi tín hiệu 5 V được đặt liên tục vào chân 3,3 V không chịu được 5 V, diode bảo vệ phía trên dẫn điện mãi mãi. Các diode được thiết kế cho các xung ESD ngắn, không phải dòng điện liên tục; thanh cấp nguồn bắt đầu tăng trên 3,3 V, diode nóng lên và chân hoặc bộ điều chỉnh điện áp trên chip bị hỏng.

Các chân chịu được 5 V sử dụng tầng đầu vào khác nhau -- diode phía trên nối với thanh cao hơn hoặc không có -- vì vậy đặt 5 V không gây hại. Các chân của bo mạch có chịu được 5 V hay không tùy thuộc vào từng bo mạch; hãy kiểm tra tài liệu tham khảo nhanh OpenMV Cam.

Chiều ngược lại cũng có vấn đề riêng. Một GPIO 3,3 V khi lái mức cao tạo ra ~3,3 V trên dây. Một bộ nhận 5 V cần 0.7 × Vcc để nhận dạng mức cao có ngưỡng tại 3,5 V; 3,3 V có thể được đọc là thấp hoặc không xác định. Dù không gây hỏng hóc, tín hiệu cũng không hoạt động đáng tin cậy.

Bộ dịch chuyển mức điện áp giải quyết cả hai chiều.

3.8.2. N-MOSFET như một công tắc

Các mạch dưới đây sử dụng một N-channel MOSFET đơn. Nó có ba chân -- gate, drain, và source -- và hoạt động như một công tắc điều khiển bằng điện.

Đầu vào điều khiển là điện áp giữa gate và source, ký hiệu là Vgs (điện áp gate-to-source):

Vgs = (gate voltage) - (source voltage)

MOSFET quan tâm đến sự chênh lệch này, không phải điện áp tuyệt đối trên mỗi chân riêng lẻ. Hành vi của nó phụ thuộc vào Vgs:

• Khi Vgs vượt trên điện áp ngưỡng của MOSFET (thường khoảng 1 V đối với linh kiện mức logic tín hiệu nhỏ), transistor bật và dòng điện chạy tự do từ drain đến source.

• Khi Vgs bằng hoặc dưới 0, transistor tắt và gần như không có dòng điện chạy từ drain đến source.

Đường dẫn drain-source là đường dòng điện đóng/ngắt; Vgs mở hoặc đóng công tắc đó.

N-MOSFET cũng có một diode body giữa drain và source dẫn điện khi drain bị kéo xuống thấp hơn source hơn ~0,6 V. Diode này là hệ quả của quá trình sản xuất; mạch dịch chuyển hai chiều dưới đây sử dụng nó một cách có chủ đích.

3.8.2.1. Quy tắc đấu dây

N-MOSFET không phải là thiết bị ba cực đối xứng. Diode body trỏ từ source (anode) đến drain (cathode), và Vgs là thứ điều khiển kênh. Hai quy tắc sau đây phải được tuân thủ cho mọi mạch công tắc N-MOSFET:

• Source nối vào điện áp thấp hơn; drain nối vào điện áp cao hơn. Khi drain ở thanh cao hơn, diode body bị phân cực ngược và không làm gì. Đổi ngược và diode body bị phân cực thuận liên tục: dòng điện chảy từ source giờ cao hơn qua diode body đến drain giờ thấp hơn bất kể gate đang làm gì. MOSFET không còn là công tắc nữa -- nó rò rỉ liên tục, tín hiệu không thể tắt, và thiết bị thường quá nhiệt và hỏng.

• Gate được nối với thanh điện áp của source. Giữ gate ở thanh mà source ở trên lúc nghỉ làm cho Vgs = 0 khi rảnh, thấp hơn nhiều so với ngưỡng; MOSFET giữ chắc chắn ở trạng thái tắt cho đến khi có gì đó lái gate cao hơn source (mạch một chiều bên dưới) hoặc kéo source xuống dưới gate (mạch hai chiều). Để gate trôi nổi ở nơi khác và trạng thái tắt không còn được xác định -- nhiễu, rò rỉ, hoặc điện dung ký sinh có thể khiến Vgs trôi dạt trên ngưỡng và bật MOSFET ngẫu nhiên.

Đảo ngược một trong hai quy tắc sẽ biến bộ dịch chuyển mức điện áp thành đường dẫn rò rỉ, không đáng tin cậy. Cả hai mạch dịch chuyển dưới đây đều tuân theo các quy tắc này: source ở phía thấp hơn, drain ở phía cao hơn, gate được nối hoặc lái từ thanh của source.

3.8.3. Một chiều 3,3 V → 5 V

Bộ dịch chuyển mức điện áp đơn giản nhất đẩy tín hiệu một chiều từ GPIO của camera vào đầu vào 5 V. Một N-MOSFET đơn cộng hai điện trở là đủ.

Một N-MOSFET dịch chuyển mức (và đảo) tín hiệu 3,3 V thành đầu ra 5 V.

Khi GPIO lái mức cao (3,3 V tại gate), Vgs vượt trên ngưỡng và MOSFET bật; drain bị kéo xuống ~0 V. Khi GPIO lái mức thấp (0 V tại gate), MOSFET tắt và điện trở kéo lên 10 kΩ đưa drain lên 5 V.

Đầu ra là nghịch đảo của đầu vào. Phần mềm có thể đảo ngược tín hiệu (ghi 0 cho "đầu ra 5 V mức cao"), hoặc ghép tầng hai giai đoạn để có tín hiệu không đảo với số lượng linh kiện gấp đôi.

3.8.4. Hai chiều với một N-MOSFET

Đối với đường dây phải được lái từ cả hai phía -- bus dùng chung mà cả hai đầu đều có thể kéo đường dây xuống thấp -- mạch chuẩn là một N-MOSFET đơn cho mỗi đường dây, với một điện trở kéo lên cho mỗi nguồn cấp của từng phía.

Một N-MOSFET đơn bắc cầu đường 3,3 V và 5 V; mỗi phía có điện trở kéo lên riêng.

Gate được nối với nguồn cấp 3,3 V, vì vậy hành vi của MOSFET phụ thuộc vào phía nào đang lái:

• Cả hai phía ở trạng thái nghỉ. Source ở mức 3,3 V qua điện trở kéo lên bên trái; gate ở mức 3,3 V; Vgs = 0; MOSFET tắt. Phía 5 V nổi lên 5 V qua điện trở kéo lên bên phải. Cả hai phía đọc là mức cao.

• Phía 3,3 V kéo xuống thấp. Source giảm xuống 0 V; Vgs tăng trên ngưỡng; MOSFET bật và dẫn source-to-drain. Phía 5 V bị kéo xuống thấp qua transistor.

• Phía 5 V kéo xuống thấp. Drain giảm xuống 0 V; diode body của MOSFET (drain đến source) bị phân cực thuận và dẫn; source (phía 3,3 V) bị kéo xuống khoảng 0,6 V. Vgs sau đó vượt ngưỡng và MOSFET bật hoàn toàn, kéo cả hai phía xuống thấp.

BSS138 là N-MOSFET tiêu chuẩn cho mẫu này; các N-MOSFET mức logic tín hiệu nhỏ với điện áp ngưỡng gate tương tự đều hoạt động theo cùng cách ở đây.