Conversor de nível lógico bidirecional I2C de 3,3 V para 5 V com BSS138

O circuito opera como um tradutor de nível de tensão bidirecional de dois canais para o barramento serial I2C de dreno aberto, conectando uma seção de baixa tensão (VDD1 = +3,3 V) a uma seção de maior tensão (VDD2 = +5,0 V). Cada linha do barramento (SDA e SCL) utiliza um único MOSFET discreto de enriquecimento de canal N (Q1 para SDA, Q2 para SCL). As portas de ambos os MOSFETs são conectadas permanentemente à tensão de alimentação inferior VDD1 (+3,3 V). Os terminais de fonte conectam-se ao lado de 3,3 V e os drenos ao lado de 5,0 V. Os resistores pull-up R1 e R2 (10 kΩ) polarizam as linhas de 3,3 V em VDD1, enquanto R3 e R4 (10 kΩ) polarizam as linhas de 5,0 V em VDD2. Os capacitores de desacoplamento C1 e C2 (100 nF cerâmicos X7R) fornecem bypass de alta frequência e baixa impedância diretamente em cada domínio de alimentação.

Quando nenhum dispositivo do barramento (mestre ou escravo) transmite um nível baixo, as linhas de dreno aberto em ambas as seções são mantidas em nível alto por seus respectivos resistores pull-up: as linhas de 3,3 V ficam em +3,3 V e as de 5,0 V em +5,0 V. Para ambos os transistores Q1 e Q2, a porta está em +3,3 V e a fonte em +3,3 V, resultando em uma tensão porta-fonte exatamente nula (VGS = VG - VS = 3.3V - 3.3V = 0 V). Como VGS está bem abaixo da tensão de limiar (VGS(th) = 0.8\dots 1.5 V), os MOSFETs permanecem totalmente em corte. A seção de maior tensão de 5,0 V fica completamente isolada da seção de 3,3 V, prevenindo sobretensões e correntes de fuga parasitas para os pinos do microcontrolador de 3,3 V.

Quando um dispositivo ativo na seção de 3,3 V comuta para nível lógico baixo, ele puxa a fonte do MOSFET em direção ao terra (VS ≈ 0 V). Como a porta permanece fixada em +3,3 V, a tensão porta-fonte sobe abruptamente para VGS = 3.3V - 0V = 3.3 V, muito acima da tensão de limiar máxima de 1,5 V. O MOSFET liga completamente, proporcionando um canal condutor de baixa resistência (RDS(on) ≤ 6.0 Ω). A corrente proveniente do resistor pull-up de 5,0 V flui através do canal condutor para o terra através do driver de 3,3 V, conduzindo a linha de 5,0 V para o nível lógico baixo correspondente (VOL2 = VOL1 + Ipull-up · RDS(on) ≤ 0.4 V).

Quando um dispositivo ativo na seção de 5,0 V comuta para nível lógico baixo, ele puxa o dreno do MOSFET em direção ao terra. Inicialmente, o canal do MOSFET não conduz. No entanto, o diodo intrínseco de substrato do MOSFET de canal N tem seu anodo na fonte (lado de 3,3 V) e seu catodo no dreno (lado de 5,0 V). À medida que a tensão de dreno cai abaixo de aproximadamente 2,6 V, o diodo de substrato fica polarizado diretamente e começa a conduzir, rebaixando a tensão de fonte através de sua queda de tensão direta (VS = VD + VSD ≈ 0.7 V). Quando a tensão de fonte cai abaixo de 3.3V - VGS(th) ≈ 1.8 V, VGS supera a tensão de limiar e o canal de inversão liga. Uma vez conduzindo, o canal desvia da queda do diodo, puxando a linha de 3,3 V de forma limpa para um nível baixo real compatível com o driver de 5,0 V.

Quando o driver ativo em qualquer um dos lados libera o barramento, ambas as linhas começam a subir em direção aos seus respectivos trilhos de alimentação. Inicialmente, enquanto a tensão da linha for inferior a VDD1 - VGS(th), o MOSFET em condução mantém ambos os lados interligados, subindo em sincronia. Assim que a linha de menor tensão ultrapassa VDD1 - VGS(th) ≈ 1.8 V, VGS cai abaixo do limiar e o MOSFET desliga. A partir desse instante, as duas seções do barramento sobem de forma independente: a seção de 3,3 V carrega através de R1/R2 com constante de tempo \tau1 = Rp · Cb1, e a seção de 5,0 V através de R3/R4 com \tau2 = Rp · Cb2. Isso desacopla eletricamente a capacitância da linha de alta tensão da seção de baixa tensão, otimizando a integridade geral do sinal.