논리 레벨 조정의 기초

개요

최근 디지털 장치 설계는 소형화, 고속 및 고효율성의 추세가 지속되고 있습니다. 주류인 5V 논리가 3.3V, 2.5V, 1.8V 이하의 전례 없이 낮은 전압 표준과 결합하여, 여러 서로 다른 시스템들이 안정적이고 효율적으로 통신할 수 있는 방법이 필요하게 되었습니다. 설계자는 논리 1과 논리 0이 이러한 플랫폼에 걸쳐 예측 가능한 방법으로 달성될 수 있도록 해야 합니다.

이진 또는 2스테이지 논리 전압 간의 변환/분리는 예측 가능한 회로 작동을 지원합니다. 설계자는 5V 핀에서 3.3V 신호가 '작동해야' 한다고 판단할 수 있지만, 모든 조건에서 항상 그렇지는 않습니다. 이와 반대로, 대부분의 경우에서 3.3V와 5V 허용 핀에서 5V가 작동하는 것은 확실하지만, 이 방법의 경우 추가 부품이 필요하거나 과도한 전압이 '낭비'되는 경우가 있어 가격이 더 비싸집니다.

대체할 방법이 있을까요?

활성화된 변환/레벨 조정 장치는 일반적인 변환 문제를 해결하며, 반전, 푸시풀 출력, 3상 또는 차동 기능과 같은 유용한 추가 기능을 제공할 수도 있습니다. 그러나 더 넓은 논리 전압 수준과 양방향 통신을 허용하면서 덜 복잡한 방법은 없을까요? 분리된 초소형 MOSFET은 고주파수 및 고효율에서 변환을 달성할 수 있습니다. I²C 및 직접 GPIO 핀 간 연결과 같은 통신을 위한 레벨 조정은 이러한 저렴한 반도체와 몇몇 추가 수동 소자 장치를 사용하여 달성됩니다. MOSFET의 올바른 선택은 12V 또는 18V와 같은 높은 논리 전압을 허용하며, 예를 들면 자동차 회로를 모니터링하는 데도 사용될 수 있습니다.

참고: HS 모드(빠른 속도)에서의 I²C에는 NXP의 PCA9306 양방향 변환기와 같은 더 정제된 부품이 필요할 수도 있습니다.

예: BS170 (N채널 인핸스먼트 모드 전계 효과 트랜지스터)

BS170은 온스테이트 저항을 최소화하면서 저전압, 저전류 스위칭 응용 제품에 적합한 안정적이고 빠른 스위칭 성능을 제공하도록 설계되었습니다. 그림 1에는 기본 통신 또는 GPIO 논리 레벨 조정을 수행하는 데 필요한 연결이 표시되어 있습니다.

그림 1: 기본, 단일 버스, 레벨 변환 MOSFET 회로.

MOSFET 양면에서의 높은 논리 레벨은 고속 모드(400kHz) I²C 신호 또는 기타 유사한 고속 디지털 인터페이스의 변환을 제공하는 해당 전원에 대한 풀업 저항기에 의해 달성됩니다. MOSFET의 게이트는 저전압 공급 레벨에서 유지됩니다. 버스 라인을 풀다운하는 장치가 없는 경우, MOSFET 소스의 버스 라인은 저전압 풀업 저항기에 의해 풀업됩니다. MOSFET의 게이트/소스 전압(VGS)이 임계값 미만이며, MOSFET이 전도되지 않습니다. 따라서 MOSFET 드레인의 버스 라인이 더 높은 전압 풀업 저항기에 의해 풀업될 수 있습니다. MOSFET 양면의 버스 라인은 '높게' 유지되지만, 서로 다른 전압 레벨로 유지됩니다. 그림 2를 참조하세요.

그림 2: 논리 '고전압' 변환.

저전압 장치가 MOSFET 소스에서 버스 라인을 풀다운하고 게이트가 저전압 공급 장치에 남아 있는 경우, VGS가 임계값 이상으로 상승하며 MOSFET이 전도를 시작합니다. 이제 MOSFET 드레인의 버스 라인도 풀다운됩니다. 그림 3을 참조하세요.

그림 3: 저전압 장치에서 시작되는 논리 '저전압' 변환.

고전압 장치가 MOSFET의 드레인에서 버스 라인을 풀다운하는 경우, MOSFET의 기판 다이오드가 다이오드를 거치면서 떨어지는 소량의 전압으로 인해 소스도 부분적으로 풀다운되도록 합니다. 그림 4를 참조하세요.

그림 4: 고전압 장치에서 시작되는 근접 논리 '저전압' 변환.

MOSFET의 소스가 부분적으로 풀다운되면 VGS가 임계값 이상으로 상승하고, MOSFET은 기판 다이오드를 우회하면서 효과적으로 전도하기 시작합니다. 그림 5를 참조하세요.

그림 5: 고전압 장치에서 시작되는 전체 논리 '저전압' 변환.

이 세 가지 상태는 구동 섹션과 독립적으로 버스 시스템의 양방향으로 전송된 논리 레벨을 보여줍니다. MOSFET의 기능에 따라 다양한 고전압 및 저전압 공급 장치의 조합이 가능합니다. 논리 레벨 충돌이 지점 간 GPIO, 센서 출력 또는 양방향 다중 라인 통신과 관련이 있는지에 상관없이, MOSFET 레벨 시프터는 유용한 도구입니다. 그림 5는 2개의 MOSFET을 사용한 변환된 2라인 양방향 통신 회로의 구현을 보여줍니다.

그림 6: 2라인 양방향 변환 데이터 통신 회로.

분리

고전압 장치가 꺼지거나 고전압 공급 장치에서 전원 손실이 일어나는 경우의 무작위 논리 레벨을 방지하기 위해, 추가 MOSFET을 '드레인 간에' 구축하여 고전압 논리 버스 라인을 분리시킬 수도 있습니다.

그림 7: 변환 데이터 통신 회로에서의 분리 버스 라인.

개발 기판

논리 레벨 변환에 대해 자세히 알아보기 위해, 몇몇 제조업체는 빠른 연결 및 실험을 위해 MOSFET이 있는 개발 기판 또는 필요한 주변 수동 소자 장치와 함께 논리 변환 장치를 제공합니다.

요약

이와 같이 간편하면서도 효율적인 논리 변환 방법이 잘 작동하도록 하려면 올바른 MOSFET과 풀업 저항기를 선택하는 것이 가장 중요합니다. 일반적인 장치 규격서에는 실험에 필요한 정보가 포함되어 있습니다. 대부분의 경우에서 4.7Kohm ~ 10Kohm 범위의 BS170용 풀업 저항기가 올바로 작동할 수 있습니다. 전용 논리 레벨 컨버터 IC는 I/O 및 공급 전압 입력에서 15kV ESD 보호와 같은 추가 기능을 제공할 수도 있습니다.