I2Cの5V↔3.3Vレベルシフト

負電源を測定するためにAVRを5V駆動することにしたので
AVRとI2C LCDの間のレベルシフトについて考えてみた

tozさんにレベルシフトはツェナーとかLEDでやっては？とアドバイスいただいた。

HIDaspx（http://www-ice.yamagata-cit.ac.jp/ken/senshu/sitedev/index.php?AVR%2FHIDaspx#content_1_5）
の回路図を眺めてみたがUSBの５Vをツェナーで3.3Vに落としてる（と思う）

5Vの信号（USB）→3.3Vの信号（AVR）はこれでわかるんだが

3.3V→5Vはこの場合どうなるかわからん

HIDaspxはUSB(5V)→AVR(3.3V)の一方通行なんだろうか？

使う予定のI2CのLCDは、基本的にWriteのみだが
I2CのプロトコルのACKだけはLCD→AVRの信号の流れになるので
3.3V→5Vの変換が必要なはず

そこで、I2Cのレベルシフトを調べてみたら
そのものずばりの「Ｉ２Ｃバス用双方向電圧レベル変換モジュール」というのがあった
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-05452/

もう少し調べると、エアバリアブルさんのところで
http://airvariable.asablo.jp/blog/2013/03/02/6734772
Nch MOS FETを使う方法があった

以前はNXPの公式の仕様書にのっていた（半？）オフィシャルな方法だそうだ

さらに、ねがてぃぶろぐさんのとこで2SC1815を使う方法があった
http://gomisai.blog75.fc2.com/blog-entry-46.html

手持ちの部品では3.3V（3.6V?)のツェナーがないしNch MOS FETもない。

送料とか考えると、変換モジュールを秋月で通販するのもしゃくなので
手持ちにある2SC1815で実験してみた

LTSpiceのシミュレーション

ねがてぃぶろぐさんのところにあるスリーステート出力の74HC125モデルの
Yahoo! Tech Groups - LTspice/SwitcherCAD III（http://tech.groups.yahoo.com/group/LTspice/）の
リンクがたどれなかったので

LTWiki（http://ltwiki.org/?title=LTspiceIV-library_Library_Listing_Expanded）から拾ってきた

2SC1815はどこからとってきたか忘れたが、LTSpiceに入れておいたやつをそのまま使った

5V → 3.3V

3.3V→5V

ねがてぃぶろぐさんのところとは違った結果に

正直自分のシミュレーションの方が正しいという自信はない（というよりどっか間違ってるはず）

バイポーラなのでMOS FETよりかなりスイッチングスピードが落ちる結果なんだろうか

CLOCKはI2Cを100kHzで駆動する予定なので10usにした
（ここもねがてぃぶろぐさんの計算とは違う。ぐぬぬ・・・）

波形的にかなりキツそうだが、とりあえずArduinoで実験

SCL、SDA、RSTの3本を3.3V<->5V変換
LCDのVCCはArduinoの3.3Vからとった

Arduinoのスケッチは前回と同じく
Sim's blogさんのところから（http://blog.goo.ne.jp/sim00/e/ab138be751d447bcdb0eecaaca232214）

写真は撮ってないが、何も表示されなかった。

同じArduinoのスケッチでLCDを5V駆動すれば動いたので、スケッチとLCDは問題ないはず。
（LCDの濃さの値もいくつかいじってみた）

スケッチを単にHIGH、LOWを出力するようにして、5V→3.3Vのシフトがうまく行ってるかどうか実験

I2CのPIN ArduinoのPIN 5V側 3.3V側
RST 2 4.91V 3.29V
SCL A5 4.91V 3.29V
SDA A4 0.226V 0.233V

1秒サイクルのLチカはOK

オシロスコープがないので、ソフト・オシロで波形を見てみた（500Hz）

5V側

3.3V側

FFTしたMAX値を比較すると

(-13.95dB) - (-19.71dB) = 5.76dB (= だいたい1.94倍) 

5V / 3.3V = 1.51

なのでちょっとおかしいが、FFTした後じゃなくて単純に波形を比較しないとダメか

めんどくさいし、回路自体は間違ってなさそうとすると2SC1815作戦はちょっとしんどい気がする

追い込むほどの力量はない（＾ｑ＾；

次善策

1. Nch MOS FETを仕入れてNXPの仕様書のような回路を作る
2. 観念して「Ｉ２Ｃバス用双方向電圧レベル変換モジュール」を使う
3. AVRを3.3V駆動する
4. 5V駆動のLCDを使う
5. 動いてるんだからI2CのLCDも5V駆動する（←禁じ手か（＾ｑ＾；

3.のAVRを3.3V駆動作戦はGNDの電位をずらすときに使うシャントレギュレータが2.5Vなので
仮想GNDからVCCまでが 3.3V - 2.5V = 0.8V しかとれない

ノイズの影響も出てきそうであんまり気が進まない

1.25Vのシャントレギュレータも共立であったが秋月のレベル変換モジュールより高い
（し、0.8Vと1.25Vってたいして違わないし）