CN102307010B - 一种数据传输电压转换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数据传输电压转换电路，用于完成主设备和从设备之间通信，包括电连接在主设备输出端和从设备输入端之间、用于完成电平同向传输及电压转换功能的电压转换模块，还包括电连接在主设备输出端和从设备输入端之间、用于在传输低电平时将电压转换模块输出端的电压钳位在低电平电压范围内同向传输的开关模块。本发明通过在数据传输电压转换电路中增加一开关模块，该开关模块可在主设备与从设备之间传输低电平时，将电压转换模块输出端的电压钳位在低电平电压范围内，并实现电平的同向传输，可有效避免主设备与从设备之间传输的信号逻辑出现错误，从而保证主设备与从设备之间的正常通信。
Description
技术领域
本发明涉及电压转换电路，更具体地说，涉及一种可保证主设备与从设备之间数据信号传输稳定的电压转换电路。
背景技术
目前电子电路中，许多芯片与芯片之间是通过I2C总线通信。但是两个芯片的IO电压很可能不通，这就致使电路中要增加电压转换电路，以满足芯片之间的通信要求。常用的电压转换电路中，只单独使用了一个内部有两个N型场效应管(NMOS管)的转换芯片U1来实现电压转换，具体电路如图1所示。
图1中，左侧信号端SCL_IN与SDA_IN连接主设备芯片的输出端，右侧信号端SCL_OUT与SDA_OUT连接从设备芯片的输入端。SCL_IN与SDA_IN分别通过上拉电阻R11、R12连接3V的电源，SCL_OUT与SDA_OUT分别通过上拉电阻R13、R14连接5V的电源。转换芯片U1内部的两个NMOS管引脚分别为源极S1、栅极G1、漏极D1，以及源极S2、栅极G2、漏极D2，分别对应转换芯片U1的引脚1、2、3、4、5、6。其中，源极S1和源极S2分别与SCL_IN与SDA_IN连接，漏极D1和漏极D2分别与SCL_OUT与SDA_OUT连接，栅极G1和栅极G2分别均连接3.3V的CPU，并通过耦合电容C11接地。
当输入SCL_IN或SDA_IN为低电平时，转换芯片内NMOS管的源极S-栅极G级间存在压差，NMOS管导通，同时输出也被拉低；当输入SCL_IN或SDA_IN为高电平时，转换芯片内NMOS管的源极与栅极级间不存在压差，NMOS管被截止，输出线缆会被5V电源上拉拉高，使输出SCL_OUT或SDA_OUT变为高电平。
但是图1中所示的电压转换电路连接方式存在一个隐患，即：当输入SCL_IN或SDA_IN为低电平时，转换芯片内NMOS管的源极和漏极之间存在0.5V左右的压差，同时输出线缆上存在一定的压差，如果输出线缆上的压差达到0.3V以上，输出端总的压差为0.8V，则从设备很可能不认为此0.8V电压为低电平，从而不对它进行处理。这样将导致主设备的低电平信号无法传输到从设备，从而导致主设备与从设备之间通信出现故障。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种可保证主设备与从设备之间数据传输稳定的数据传输电压转换电路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
构造一种数据传输电压转换电路，用于完成主设备和从设备之间通信，包括电连接在所述主设备输出端和所述从设备输入端之间、用于完成电平同向传输及电压转换功能的电压转换模块，还包括电连接在所述主设备输出端和所述从设备输入端之间、用于在传输低电平时将所述电压转换模块输出端的电压钳位在低电平电压范围内同向传输的开关模块。
本发明所述的数据传输电压转换电路，其中，所述开关模块包括用于在所述主设备和所述从设备之间传输低电平时、将所述电压转换模块输出端的电压钳位在低电平电压范围内的电压控制单元，以及包括用于在所述主设备和所述从设备之间传输低电平时、保证输入输出同向的同向控制单元；其中，
所述同向控制单元的输入端连接所述主设备输出端，所述同向控制单元的输出端连接所述电压控制单元的输入端，所述电压控制单元的输出端连接所述从设备输入端。
本发明所述的数据传输电压转换电路，其中，所述同向控制单元包括第一三极管，所述第一三极管的基极通过第一基极电阻连接在所述主设备输出端，所述第一三极管的集电极通过第一上拉电阻连接第一电源，所述第一三极管的发射极接地；
所述电压控制单元包括第二三极管，所述第二三极管的基极连接所述第一三极管的集电极，所述第二三极管的集电极连接所述从设备输入端、且同时通过第二上拉电阻连接第一电源，所述第二三极管的发射极接地。
本发明所述的数据传输电压转换电路，其中，所述同向控制单元包括第一场效应管，所述第一场效应管的栅极通过第一基极电阻连接在所述主设备输出端，所述第一场效应管的漏极通过第一上拉电阻连接第一电源，所述第一场效应管的源极接地；
所述电压控制单元包括第二三极管，所述第二三极管的基极连接所述第一场效应管的漏极，所述第二三极管的集电极连接所述从设备输入端、且同时通过第二上拉电阻连接第一电源，所述第二三极管的发射极接地。
本发明所述的数据传输电压转换电路，其中，所述电压转换模块包括第二场效应管，所述第二场效应管的栅极连接第二电源、且同时通过第一耦合电容接地，所述第二场效应管的源极连接所述主设备输出端、且同时通过第三上拉电阻连接第二电电源，所述第二场效应管的漏极连接所述从设备输入端、且同时通过第四上拉电阻连接第一电源；所述第一电源电压大于所述第二电源电压。
本发明所述的数据传输电压转换电路，其中，所述第一基极电阻为100-260欧姆。
本发明所述的数据传输电压转换电路，其中，所述第一上拉电阻和所述第二上拉电阻为10千-100千欧姆。
本发明所述的数据传输电压转换电路，其中，所述第三上拉电阻为10千-100千欧姆。
本发明所述的数据传输电压转换电路，其中，所述第四上拉电阻为1千-10千欧姆。
本发明所述的数据传输电压转换电路，其中，所述第一电源为5V，所述第二电源为3.3V。
本发明的有益效果在于：通过在电压转换电路中增加一开关模块，该开关模块可在主设备与从设备之间传输低电平时，将电压转换模块输出端的电压钳位在低电平电压范围内，并实现电平的同向传输，可有效避免主设备与从设备之间传输的信号逻辑出现错误，从而保证主设备与从设备之间的正常通信。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有技术中的电压转换电路原理示意图；
图2是本发明较佳实施例的数据传输电压转换电路原理框图一；
图3是本发明较佳实施例的数据传输电压转换电路原理框图二；
图4是本发明较佳实施例的数据传输电压转换电路原理示意图一；
图5是本发明较佳实施例的数据传输电压转换电路原理示意图二；
图6是本发明较佳实施例的带双输入端和输出端的数据传输电压转换电路原理示意图。
具体实施方式
本发明较佳实施例的数据传输电压转换电路原理框图如图2所示，用于完成主设备和从设备之间通信，包括电连接在主设备输出端和从设备输入端之间、用于完成电平同向传输及电压转换功能的电压转换模块20，还包括电连接在主设备输出端和从设备输入端之间的开关模块10，该开关模块10在传输低电平时，将电压转换模块20输出端的电压钳位在低电平电压范围内，例如0.1V，且能保证电平的同向传输，即使此时电压转换模块的输出端存在压差，也能避免主设备与从设备之间传输的信号逻辑出现错误，从而保证主设备与从设备之间的正常通信。其中，主设备即发出时钟信号和数据的主芯片，从设备即接收该主芯片所发出的时钟信号和数据的从芯片。
在进一步的实施例中，如图3所示，开关模块10包括用于在主设备和从设备之间传输低电平时、将电压转换模块20输出端的电压钳位在低电平电压范围内的电压控制单元12，以及包括用于在主设备和从设备之间传输低电平时、保证输入输出同向的同向控制单元11。同向控制单元11的输入端连接主设备输出端，同向控制单元11的输出端连接电压控制单元12的输入端，电压控制单元12的输出端连接从设备输入端。在主设备与从设备之间传递低电平信号时，通过电压控制单元12可将电压转换模块20输出端电压钳位在低电平范围内，同时再结合同向控制单元11保证电平的同向传输，从而避免主设备与从设备之间传输的信号逻辑出现错误，从而保证主设备与从设备之间的正常通信。
在更进一步的实施例中，如图4所示，上述开关模块10的同向控制单元11包括第一三极管Q1，第一三极管Q1的基极通过第一基极电阻R5连接在主设备输出端SCL_IN，第一三极管Q1的集电极通过第一上拉电阻R1连接第一电源，第一三极管Q1的发射极接地。电压控制单元包括第二三极管Q2，第二三极管Q2的基极连接第一三极管Q1的集电极，第二三极管Q2的集电极连接从设备输入端SCL_OUT、且同时通过第二上拉电阻R2连接第一电源，第二三极管Q2的发射极接地。本实施例中，采用三极管来实现同向控制单元，其开关速度较场效应管(MOS管)快，因此延时短，可有效降低数据信号误传输率。
当主设备输出端输出为高电平信号时，第一三极管Q1的基极为高电平，第一三极管Q1的集电极C和发射极E导通，此时第一三极管Q1的集电极为0.1V左右，则第二三极管Q2的集电极C和发射极E不导通，于是电压转换模块20的输出端，即从设备的输入端就会被外部的第二上拉电阻R2拉到与第一电源V1相同电压的高电平；当主设备输出端输出为低电平时，电压转换模块20导通，即使在电压转换模块20采用MOS管时，MOS管内部势垒作用导致两极之间存在一个0.5V左右的压差，仍然能保证第一三极管Q1的基极为低电平，集电极C和发射极E就不会导通，但由于第一电源V1电压的作用，第一三极管Q1的集电极C就为高电平，第二三极管Q2的集电极C和发射极E间就会导通，促使第二三极管Q2的集电极C电压为0.1V左右，所以电压转换模块20和开关模块10的输出电平就会被嵌位在0.1V左右，从而避免主设备与从设备之间传输的信号逻辑出现错误，从而保证主设备与从设备之间的正常通信。
在更进一步的实施例中，如图5所示，上述开关模块10的同向控制单元11包括第一场效应管Q7，第一场效应管Q7的栅极通过第一基极电阻R5连接在主设备输出端SCL_IN，第一场效应管Q7的漏极D通过第一上拉电阻R1连接第一电源V1，第一场效应管Q5的源极接地。同样电压控制单元12包括第二三极管Q2，第二三极管Q2的基极B连接第一场效应管Q7的漏极D，第二三极管Q2的集电极C连接SCL_OUT、且同时通过第二上拉电阻R2连接第一电源V1，第二三极管Q2的发射极R接地。本实施例中，采用MOS管来实现同向控制单元，其开关速度虽然较三极管慢，但是MOS管是压控元件，输入为高阻，对电流要求小，因此对输入信号的要求也低，可有效降低数据信号误传输率。
当主设备输出端输出为高电平信号时，第一场效应管Q7的栅极G为高电平，第一场效应管Q7的源极S和漏极D导通，此时，第一场效应管Q7的源极S和漏极D电压差为0V，则第二三极管Q2的基极为低电平，第二三极管Q2的集电极C和发射极E不导通，于是电压转换模块20的输出端，即从设备的输入端就会被外部的第二上拉电阻R2拉到与第一电源V1相同电压的高电平；当主设备输出端输出为低电平时，电压转换模块20导通，即使在电压转换模块20采用MOS管时，MOS管内部势垒作用导致两极之间存在一个0.5V左右的压差，仍然能保证第一场效应管Q7的栅极为低电平，第一场效应管Q7的源极S和漏极D就不会导通，但由于第一电源V1电压的作用，第一场效应管Q7的漏极就为高电平，因此第二三极管Q2的集电极C和发射极E间就会导通，促使第二三极管Q2的集电极C电压为0.1V左右，所以电压转换模块20和开关模块10的输出电平就会被嵌位在0.1V左右，从而避免主设备与从设备之间传输的信号逻辑出现错误，从而保证主设备与从设备之间的正常通信。
在更进一步的实施例中，如图4和图5所示，上述电压转换模块20包括第二场效应管Q5，第二场效应管Q5的栅极连接第二电源V2、且同时通过第一耦合电容C1接地，第二场效应管Q5的源极连接主设备输出端、且同时通过第三上拉电阻R7连接第二电电源V2，第二场效应管Q5的漏极连接从设备输入端、且同时通过第四上拉电阻R9连接第一电源V1。且上述第一电源V1电压大于第二电源V2电压，具体电压大小可根据实际使用来选择，例如应用于电视机中时，将第二电源V2电压选为3.3V，第一电源V1电压选为5V，即电视接收端的上拉电压，以保持电源的一致性，这样可以尽可能的减少竞争冒险，否则会产生毛刺，可能会使从设备接收到的信号逻辑产生错误。
当主设备输出端输出为高电平信号时，第二场效应管Q5的源极电压与第二电源V2电压相等，则第二场效应管Q5的源极和漏极间的电压差为0V小于1V，所以第二场效应管Q5截止，使得上述实施例中的第一三极管Q1的基极或第一场效应管Q7的栅极G为高电平；当主设备输出端输出为低电平信号时，第二场效应管Q5的栅极和源极间就存在了一个正向的压差，源极和漏极就会导通，于是第二场效应管Q5的漏极就也为低电平，但是由于第二场效应管Q5内部势垒作用，栅极和源极之间存在一个0.5V左右的压差，所以第二场效应管Q5的漏极电压就在0.5V左右，使得上述实施例中的第一三极管Q1的基极或第一场效应管Q7的栅极G为低电平。
由于MOS管是极端脆弱的，栅极和沟道间的薄氧化物绝缘体会受到来自静电物体的电伏击，虽然相互作用的放电电流量并不是很大，但氧化物绝缘体是非常薄的(栅极与沟道的电容很小，典型值仅几PF)，很小的电流就可以将MOS管击穿；这就不利于工业上生产，且MOS管的价格远高于三极管；由于MOS管导通时的漏源电阻rDS比晶体三极管的饱和电阻RCE要大得多，MOS管为多子导电，而三极管为载流子即空穴和电子同时导电，这就是MOS管的源栅两极漏栅两极间存在较大的电容，而三极管的基极和集电极、基极和发射极间的电容较小，在高频的时候可以忽略不计，这样MOS管在高电平变低电平或者低电平变高电平时，需要较长的恢复时间。所以，MOS管的充、放电时间较长，使MOS管的开关速度比晶体三极管的开关速度低，双极型三极管集电结电容并不大，所以用电阻做负载的共射极放大器才可以轻松工作到几百KHz甚至更高一些，这对于I2C信号来说已经足够了。因此上述实施例中，较为优选的是采用三极管实现同向控制单元11和电压控制单元12。
下面以采用三极管同时实现同向控制单元11和电压控制单元12的数据传输电压转换电路为例对I2C总线信号的传输进行详细说明，如图6所示，主设备输出端信号有两个，分别为SCL_IN和SDA_IN，从设备输入端信号为SCL_OUT和SDA_OUT，其中数据传输电压转换电路的时钟信号由主设备的SCL_IN提供。其中，SDA_IN端通过第三场效应管Q6连接至SDA_OUT端，第三场效应管Q6的栅极G通过第一耦合电容接地，同时连接第二电源V2，第三场效应管Q6的源极S通过第五上拉电阻R8连接第二电源V2，第三场效应管Q6的漏极D连接SDA_OUT端，并通过第六上拉电阻R10连接第一电源V1，三场效应管Q6的源极S还通过第二基极电阻R6连接至第三三极管Q3的基极，第三三极管Q3发射极接地，第三三极管Q3集电极C通过第七上拉电阻R3接第一电源V1，同时连接第四三极管Q4的基极，第四三极管Q4的发射极接地，集电极C通过第八上拉电阻R4接第一电源V1，同时连接SDA_OUT端。
根据I2C协议：I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。其中，开始信号：SCL_IN为高电平时，SDA_IN由高电平向低电平跳变，开始传送数据；结束信号：SCL_IN为低电平时，SDA_IN由低电平向高电平跳变，结束传送数据；应答信号：接收数据的从设备在接收到8bit数据后，向发送数据的主设备发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。主设备向从设备发出一个信号后，等待从设备发出一个应答信号，主设备接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，判断为从设备出现故障，当SDA_IN传输完数据后，会保持为高电平，等待应答信号。当从设备接收到读写命令后会返回一个低电平的应答信号，即SDA_OUT被拉低，此时电压转换模块20内的场效应管却是截止的，这样场效应管内部的体二极管就起到了作用，使得SDA_IN会被拉低。
当SDA_IN输入为高电平时，第三场效应管Q6的源极就为3.3V，则源极和漏极间的电压差为0V，小于1V，所以第三场效应管Q6截止，第三三极管Q3的基极为高，其集电极和发射极导通，第三三极管Q3的集电极为0.1V左右，则第四三极管Q4的集电极和发射极不导通，于是SDA_OUT就会被外部的上拉电阻，拉到高电平。当SDA_IN输入为低电平时，第三场效应管Q6的栅极和源极间就存在了一个正向的压差，源极和漏极就会导通，于是第三场效应管Q6的漏极就也为低电平。但是由于第三场效应管Q6内部势垒作用，导致两极之间存在一个0.5V左右的压差，所以第三场效应管Q6的漏极就在0.5V左右。此时，第三三极管Q3的基极为低电平，集电极和发射极两极就不会导通，但由于第一电源V1电压的作用，第三三极管Q3的集电极就为高电平，第四三极管Q4的集电极和发射极间就会导通，促使第四三极管Q4的集电极电压为0.1V左右，所以输出电平就会被嵌位在0.1V左右。这样就能够避免设备端I2C的低电平接收存在错误的可能性。
上述实施例中，开关模块10中所采用的第一基极电阻R5和第二基极电阻R6应刚好控制线路内的电流为10MA左右，如果电流太低信号则太弱，电流太高会影响接收效果。因此第一基极电阻R5和第二基极电阻R6阻值范围为100-260欧姆。
优选地，第一上拉电阻R1、第二上拉电阻R2、第三上拉电阻R7、第五上拉电阻R8、第四上拉电阻R9、第六上拉电阻R10、第七上拉电阻R3、第八上拉电阻R4的选取与上拉速度有关，如果上拉电阻大的话，上拉的速度就慢，但功耗低，上拉电阻小，速度快，但功耗就高了。I2C支持的最高传送速率为100Kbps，则为了使功耗尽可能的小，保证I2C信号的正常传输根据时间常数t＝RC，将第一上拉电阻R1、第二上拉电阻R2、第七上拉电阻R3、第八上拉电阻R4、第三上拉电阻R7、第五上拉电阻R8选为10千-100千欧姆，将第四上拉电阻R9、第六上拉电阻R10选为1千-10千欧姆。
综上所述，本发明通过在电压转换电路中增加一开关模块10，该开关模块10可在主设备与从设备之间传输低电平时，将电压转换模块20输出端的电压钳位在低电平电压范围内，并实现电平的同向传输，可有效避免主设备与从设备之间传输的信号逻辑出现错误，从而保证主设备与从设备之间的正常通信。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种数据传输电压转换电路，用于完成主设备和从设备之间通信，包括电连接在所述主设备输出端和所述从设备输入端之间、用于完成电平同向传输及电压转换功能的电压转换模块（20），其特征在于，还包括电连接在所述主设备输出端和所述从设备输入端之间、用于在传输低电平时将所述电压转换模块（20）输出端的电压钳位在低电平电压范围内同向传输的开关模块（10）；
所述开关模块（10）包括电压控制单元（12）和同向控制单元（11）；所述同向控制单元（11）的输入端连接所述主设备输出端，所述同向控制单元（11）的输出端连接所述电压控制单元（12）的输入端，所述电压控制单元（12）的输出端连接所述从设备输入端；
其中，所述电压控制单元（12）包括用于在所述主设备和所述从设备之间传输低电平时、将所述电压转换模块（20）输出端的电压钳位在低电平电压范围内的三极管；
所述同向控制单元包括用于在所述主设备和所述从设备之间传输低电平时、保证输入输出同向的三极管或场效应管。
2.根据权利要求1所述的数据传输电压转换电路，其特征在于，所述同向控制单元包括第一三极管（Q1），所述第一三极管（Q1）的基极通过第一基极电阻（R5）连接在所述主设备输出端，所述第一三极管（Q1）的集电极通过第一上拉电阻（R1）连接第一电源（V1），所述第一三极管（Q1）的发射极接地；
所述电压控制单元包括第二三极管（Q2），所述第二三极管（Q2）的基极连接所述第一三极管（Q1）的集电极，所述第二三极管（Q2）的集电极连接所述从设备输入端、且同时通过第二上拉电阻（R2）连接第一电源（V1），所述第二三极管（Q2）的发射极接地。
3.根据权利要求1所述的数据传输电压转换电路，其特征在于，所述同向控制单元包括第一场效应管（Q7），所述第一场效应管（Q7）的栅极通过第一基极电阻（R5）连接在所述主设备输出端，所述第一场效应管（Q7）的漏极通过第一上拉电阻（R1）连接第一电源（V1），所述第一场效应管（Q7）的源极接地；
所述电压控制单元包括第二三极管（Q2），所述第二三极管（Q2）的基极连接所述第一场效应管（Q7）的漏极，所述第二三极管（Q2）的集电极连接所述从设备输入端、且同时通过第二上拉电阻（R2）连接第一电源（V1），所述第二三极管（Q2）的发射极接地。
4.根据权利要求1所述的数据传输电压转换电路，其特征在于，所述电压转换模块包括第二场效应管（Q5），所述第二场效应管（Q5）的栅极连接第二电源（V2）、且同时通过第一耦合电容（C1）接地，所述第二场效应管（Q5）的源极连接所述主设备输出端、且同时通过第三上拉电阻（R7）连接第二电电源（V2），所述第二场效应管（Q5）的漏极连接所述从设备输入端、且同时通过第四上拉电阻（R9）连接第一电源（V1）；所述第一电源（V1）电压大于所述第二电源（V2）电压。
5.根据权利要求2或3所述的数据传输电压转换电路，其特征在于，所述第一基极电阻（R5）为100-260欧姆。
6.根据权利要求2或3所述的数据传输电压转换电路，其特征在于，所述第一上拉电阻（R1）和所述第二上拉电阻（R2）为10千-100千欧姆。
7.根据权利要求4所述的数据传输电压转换电路，其特征在于，所述第三上拉电阻（R7）为10千-100千欧姆。
8.根据权利要求4所述的数据传输电压转换电路，其特征在于，所述第四上拉电阻（R9）为1千-10千欧姆。
9.根据权利要求4所述的数据传输电压转换电路，其特征在于，所述第一电源（V1）为5V，所述第二电源（V2）为3.3V。
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