CN101083463A - 一种双向电平转换的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种双向电平转换的装置及方法，包括：第一转换单元，采用MOS管，用于实现电压之间的双向电平转换；若所述第一转换单元不能单独实现电压的双向电平转换，则所述装置还包括：第二转换单元，采用二极管，用于提供合适的导通压降，以配合第一转换单元实现电压之间的双向电平转换；所述第二转换单元包括：肖特基二极管。本发明实施例方便的实现了更大范围电压之间的电平转换，具有电路简单，转换电压范围宽的优点。

Description

一种双向电平转换的装置及方法

技术领域

本发明涉及电子通信技术领域，尤其涉及一种双向电平转换的装置及方法。

背景技术

目前，IC(集成电路)以其体积小、价格便宜的优势，广泛的应用于各种电子、通信设备中。电子、通信设备大量使用的IC有多种类型，常用的包括：CMOS(互补金属氧化物半导体)电路、TTL(晶体管-晶体管逻辑电路)电路，这些不同类型的IC存在多种电平标准，例如，常见的CMOS电路的电压为3.3V、5V、9V等，常见的TTL电路的电压为5V、3.3V、1.5V等。

用于进行数据传输的各种分立电路，也存在各种不同的电压值。

由于实际应用中存在不同的电压值，因而在IC以及分立电路应用于数据传输的过程中，必然存在不同电平之间的通信，因此需要一种电平转换电路；由于大部分IC以及分立电路在数据传输过程中需要进行双向数据传输，因此需要所述电平转换电路能实现双向电平转换；同时，需要电平转换电路简单易用、成本较低廉。

现有技术中，存在1.8V到5V的电平转换方法，图1为现有技术中采用GTL2002(一种芯片型号)芯片实现1.8V到5V电平转换的典型应用电路。其中，GTL2002芯片为能实现2bit总线数据信息从1.8V到5V的电平转换的芯片。

GTL2002芯片的内部原理如图2所示，实现电平转换的具体过程为：当Sn(GTL2002芯片的引脚名，n为1或2)或Dn(GTL2002芯片的引脚名，n为1或2)端口低电平时，MOS管导通，因为Sn和Dn之间是低阻通路，所以Sn和Dn都保持低电平；当Dn端口是高电平时，Sn端口的电压被限制到与SREF(GTL2002芯片的引脚名)的电平相同；当Sn端口是高电平时，Dn端口通过上拉电阻被拉到高电平，此时MOS管不导通。

现有技术的缺点包括：只能实现1.8V到5V所有电压之间的电平转换，而不能实现更高电压(如15V)之间的电平转换；同时，这个转换电路需要GTL2002、电阻以及电容3个元件，并且GTL2002为专用IC，在成本上比分立元件高。

因此，目前没有能实现5V以上，1.8V以下电压之间的电平转换；同时，也不存在成本较低的电平转换电路。

发明内容

本发明实施例提供一种双向电平转换的装置及方法，能够简便的实现电压之间的双向电平转换。

本发明实施例是通过以下技术方案实现的：

本发明实施例提供一种双向电平转换的装置，所述装置包括：

第一转换单元，采用场效应MOS管，用于实现电压之间的双向电平转换。

本发明实施例提供一种双向电平转换的方法，用以配合一种双向电平转换的装置，所述方法包括：

根据第一待转换电路或第二待转换电路输出电平的高低，控制第一转换单元的导通或截止。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例采用一种双向电平转换的装置及方法，方便的实现了电压之间的双向电平转换，具有电路简单，转换电压范围宽的优点。

附图说明

图1为现有技术中采用GTL2002芯片实现1.8V到5V电平转换的典型电路图；

图2为现有技术中GTL2002芯片的内部原理框图；

图3为采用本发明的第一个实施例实现双向电平转换的系统结构示意图；

图4为采用本发明的第二个实施例实现双向电平转换的系统结构示意图；

图5为采用本发明实施例的装置实现双向电平转换的具体实现示意图；

图6为本发明实施例的采用第一转换单元实现电平转换的过程图；

图7为本发明实施例的同时采用第一转换单元和第二转换单元实现电平转换的过程图。

具体实施方式

本发明实施例涉及的装置的具体实现包括：第一转换单元，采用MOS管，用于实现电压之间的双向电平转换。

在第一转换单元的导通电压大于待转换的低电平的电压差的情况下，本发明实施例涉及的装置的具体实现包括：第一转换单元和第二转换单元。其中，第一转换单元，采用MOS管；第二转换单元，采用二极管，用于提供小于待转换的低电平的电压差的二极管导通压降，以配合第一转换单元实现电压之间的双向电平转换。该第一转换单元与该第二转换单元并联连接，并联连接的方法具体可以为：二极管的阳极与MOS管的源极相连，二极管的阴极与MOS管的漏极相连。

图3为采用本发明的第一个实施例实现双向电平转换的系统结构示意图，该系统具体包括：作为待转换电路的第一待转换电路和第二待转换电路，以及作为本发明实施例装置的第一转换单元，其中：

第一待转换电路，包括电源电压为VDD1(表示第一待转换电路的电源电压值)的各种类型的IC以及分立电路，用于进行数据信息的传输，比如：门电路、CPU(中央处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)、EPLD(电可擦除可编程逻辑器件)等。第一待转换电路的高电平值大小通常为VDD1，低电平输入门限为V1。比如：V1的具体值可以为0.2V，0.4V或0.9V。

第二待转换电路，包括电源电压为VDD2(表示第二待转换电路的电源电压值)的各种类型的IC以及分立电路，用于进行数据信息的传输，比如：门电路、CPU、FPGA、EPLD等。第二待转换电路的高电平值大小通常为VDD2，输出低电平为V2。比如：V2的具体值可以为0.2V，0.4V或0.9V。

第一转换单元，即MOS管，用于实现VDD1到VDD2的电压之间的双向电平转换。

第一转换单元作为本发明实施例的装置，与第一待转换电路和第二待转换电路串联连接。

在本发明实施例中，该VDD1和VDD2的具体值可以为满足VDD1＜VDD2，并且VDD1大于MOS管的阈值电压，VDD2小于MOS管的漏-源击穿电压的所有电压值；该V1和V2的具体值可以为满足V1＜V2，并且V1、V2的差值t大于MOS管的导通电压的所有电平值。比如：若VDD1为1V，VDD2为8V，t为0.2V，则选用阈值电压小于1V，漏-源击穿电压大于等于8V，寄生二极管导通压降小于0.2V的MOS管；若VDD1为9V，VDD2为12V，t为0.9V，则选用阈值电压小于9V，漏-源击穿电压大于等于12V，寄生二极管导通压降小于0.9V的MOS管。

图4为采用本发明的第二个实施例实现双向电平转换的系统结构示意图，该系统用于在第一转换单元的导通电压大于待转换的低电平的电压差的情况下实现电压之间的双向电平转换。该系统具体包括：作为待转换电路的第一待转换电路和第二待转换电路，以及作为本发明实施例装置的第一转换单元和第二转换单元，其中：

第一待转换电路、第二待转换电路以及第一转换单元与图3所示的本发明的第一个实施例的系统结构示意图中的第一待转换电路、第二待转换电路以及第一转换单元的功能以及相互之间的连接方式相同。与图3的不同之处在于，增加了与第一转换单元并联连接的第二转换单元，第一转换单元和第二转换单元作为本发明实施例的装置，与第一待转换电路和第二待转换电路串联连接。

该第二转换单元用于在第一转换单元的导通电压大于待转换的低电平的电压差的情况下，配合第一转换单元，以实现VDD1到VDD2所有电压之间的双向电平转换。第二转换单元包括各种类型小于待转换的低电平的电压差的二极管，比如：肖特基二极管。其中，MOS管和二极管的连接方式包括：二极管与MOS管并联连接；该并联连接的方式为二极管的阳极与MOS管的源极相连，二极管的阴极与MOS管的漏极相连。

在本发明的第二个实施例中，该VDD1和VDD2的具体值可以为满足VDD1＜VDD2，并且VDD1大于MOS管的阈值电压，VDD2小于MOS管的漏-源击穿电压的所有电压值；该V1和V2的具体值可以为满足V1＜V2，并且V1、V2的差值t大于第二转换电路(即二极管)的导通电压的所有电平值。比如：若VDD1为1V，VDD2为8V，t为0.2V，则选用阈值电压小于1V，漏-源击穿电压大于等于8V的MOS管，并且选用导通压降小于0.2V的二极管。

在实际应用中，常用的电压范围为1V＜VDD1＜VDD2＜20V，t值大于0.25V，因此本发明实施例对1V＜VDD1＜VDD2＜20V，V1和V2之间的电压差值大于0.25V的具体实现进行详细描述。

采用本发明实施例的装置实现双向电平转换的具体实现示意图如图5所示，在本发明实施例中，采用MOS管和肖特基二极管实现电平转换，为一种I2C(两线串行接口)的双向电平转换电路，具体包括：

双向电平转换装置1和双向电平转换装置2，分别实现第一待转换电路的时钟线和数据总线到第二待转换电路的时钟线和数据总线的电平转换。

双向电平转换装置1串联连接在第一待转换电路的时钟线和第二待转换电路的时钟线之间；双向电平转换装置2串联连接在第一待转换电路的数据总线和第二待转换电路的数据总线之间。

在本发明实施例中，选用的第一转换单元为MOS管，选用的第二转换单元可以为肖特基二极管，MOS管和肖特基二极管并联连接，其中，双向电平转换装置1中的MOS管的S(源极)端与第一待转换电路的时钟端相连，D(漏极)端与第二待转换电路的时钟端相连，G(栅极)端与第一待转换电路的电源端相连；双向电平转换装置2中的MOS管的S端与电路1的数据总线端相连，D端与电路2的数据总线端相连，G端与电路1的电源端相连。

同时，需要在整个电路中连接如图5所示的R1、R2、R3和R4，作为上拉电阻。

在本发明实施例中，选用的MOS管的型号可以为IRF7313(一种MOS管型号)，选用的肖特基二极管的型号可以为HSMS2855(一种肖特基二极管型号)。IRF7313为一种阈值电压为1V，漏-源击穿电压为20V，寄生二极管的导通压降为0.7V的MOS管；HSMS2855为一种导通压降为0.25V的肖特基二极管。IRF7313的结构为在一个SO8(Small Outline 8，小型8引脚封装)封装内集成两个MOS管，HSMS2855的结构为在SOT143(一种引脚封装类型)封装内集成两个肖特基二极管器件，用以分别实现时钟线和数据总线的双向电平转换。

若实际使用的V1和V2之间的电压差值大于0.7V，即大于MOS管的导通压降，则在本发明所述的装置中可以只包括第一转换单元，即MOS管，而不包括第二转换单元，即肖特基二极管。即，在这种情况下，只使用一个MOS管就可以实现V1和V2之间的电压差值大于0.7V，VDD1＜VDD2，且VDD1大于MOS管阈值电压，VDD2小于MOS管的漏-源击穿电压的任意电压之间的电平转换。比如：若第一转换单元选用IRFL110，则可以实现小于100V的任意电平之间的转换。

本发明的第四个实施例涉及一种双向电平转换方法，用以配合本发明所述的双向电平转换装置来实现待转换电路之间的电平转换，具体实现示意图如图6和图7所示，具体包括：

图6为本发明实施例的采用第一转换单元实现电平转换的过程图，根据第一待转换电路或第二待转换电路输出电平的高低，控制第一转换单元的导通或截止，具体包括：

若第一待转换电路输出低电平，则第一转换单元导通，第二待转换电路输出低电平；或者，

若第一待转换电路输出高电平，则第一转换单元截止，第二待转换电路输出高电平；或者，

若第二待转换电路输出低电平，则第一转换单元导通，第一待转换电路输出低电平；或者，

若第二待转换电路输出高电平，则第一转换单元截止，第一待转换电路输出高电平。

本发明实施例可以实现VDD1＜VDD2，V1＜V2，且V1、V2值的差值为t的任意电压之间的电平转换。在本发明实施例中，第一转换单元为MOS管，选取的MOS管的阈值电压小于VDD1，漏-源击穿电压大于VDD2，导通电压小于t。

图7为本发明实施例的同时采用第一转换单元和第二转换单元实现电平转换的过程图，根据第一待转换电路或第二待转换电路输出电平的高低，控制第一转换单元和第二转换单元的导通或截止，具体包括：

若第一待转换电路输出低电平，则第一转换单元导通，第二转换单元导通，第二待转换电路输出低电平；或者，

若第一待转换电路输出高电平，则第一转换单元截止，第二转换单元截止，第二待转换电路输出高电平；或者，

若第二待转换电路输出低电平，则第一转换单元导通，第二转换单元导通，第一待转换电路输出低电平；或者，

若第二待转换电路输出高电平，则第一转换单元截止，第二转换单元截止，第一待转换电路输出高电平。

本发明实施例可以实现VDD1＜VDD2，V1＜V2，且V1、V2值的差值为t的任意电压之间的电平转换。在本发明实施例中，第一转换单元为MOS管，第二转换单元为二极管，选取的MOS管的阈值电压小于VDD1，漏-源击穿电压大于VDD2，选取的二极管的导通电压小于t。其中，MOS管可以为IRF7313，肖特基二极管可以为HSMS2855；由于IRF7313的阈值电压为1V，漏-源击穿电压为20V，HSMS2855的导通压降为0.25V，所以该电路可以实现t值大于0.25V，从1V到20V任意电压的转换。在一些特殊的应用中，比如t值超过0.7V(MOS管的导通压降)，也可以省去肖特基二极管，而只使用一个MOS管就可以实现t值大于0.7V，VDD1、VDD2大于MOS管阈值电压的任意电压之间的电平转换；即，若使用阈值电压大于0.5V，寄生二极管的导通压降为0.8V的的MOS管，则可以实现大于0.5V的任意电压之间的电平转换。

下面以VDD1为3.3V，VDD2为5V，t值为0.4V，同时设置第一转换单元和第二转换单元的情况为本发明的第五个实施例，包括：

在本发明实施例中，选用的第一转换单元为MOS管(具体型号可以为IRF7313)，选用的第二转换单元为肖特基二极管(具体型号可以为HSMS2855)，以实现双向电平转换，具体包括：

若第一待转换电路输出低电平，则IRF7313管导通，HSMS2855管导通，第二待转换电路输出低电平；或者，

若第一待转换电路输出高电平，则IRF7313管截止，HSMS2855管截止，第二待转换电路输出高电平；或者，

若第二待转换电路输出低电平，则IRF7313管导通，HSMS2855管导通，第一待转换电路输出低电平；或者，

若第二待转换电路输出高电平，则IRF7313管截止，HSMS2855管截止，第一待转换电路输出高电平。

综上，本发明实施例可以实现电压之间的双向电平转换，包括：1V＜VDD1＜VDD2＜20V，且V1和V2之间的电压差值大于0.25V的任意电平之间的转换，比如，常用的VDD1为3.3V，VDD2为5V；VDD1为8V，VDD2为12V；VDD1为1V，VDD2为12V之间的转换。但是，本发明实施例不仅限于上述电压范围之间的转换，选取合适的MOS管和二极管可以实现更大范围电压之间的双向电平转换，比如：选取阈值为0.5V，漏-源击穿电压为30V的MOS管，导通压降为0.15V的肖特基二极管，能实现0.5V＜VDD1＜VDD2＜30V，且V1和V2之间的电压差值大于0.15V的任意电平之间的转换。若V1和V2之间的电压差值大于0.7V，则选取寄生二极管的导通压降为0.7V，漏-源击穿电压为VDD2的MOS管，即可实现VDD1＜VDD2，且VDD1、VDD2大于MOS管阈值电压的任意电压之间的电平转换。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1、一种双向电平转换的装置，其特征在于，所述装置包括：

第一转换单元，采用场效应MOS管，用于实现电压之间的双向电平转换。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第二转换单元，采用二极管，用于提供导通压降，以配合第一转换单元实现电压之间的双向电平转换。

3、如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述二极管包括：肖特基二极管。

4、如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述二极管与MOS管并联连接；所述并联连接的方式为二极管的阳极与MOS管的源极相连，二极管的阴极与MOS管的漏极相连。

5、如权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述MOS管包括：IRF7313；

所述二极管包括：HSMS2855。

6、一种双向电平转换的方法，用以配合一种双向电平转换的装置，其特征在于，所述方法包括：

根据第一待转换电路或第二待转换电路输出电平的高低，控制第一转换单元的导通或截止。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据第一待转换电路或第二待转换电路输出电平的高低，控制第二转换单元的导通或截止。

8、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据第一待转换电路或第二待转换电路输出电平的高低，控制第一转换单元的导通或截止的方法具体包括：

若第一待转换电路输出低电平，则第一转换单元导通，第二待转换电路输出低电平；或者，

若第一待转换电路输出高电平，则第一转换单元截止，第二待转换电路输出高电平；或者，

若第二待转换电路输出低电平，则第一转换单元导通，第一待转换电路输出低电平；或者，

若第二待转换电路输出高电平，则第一转换单元截止，第一待转换电路输出高电平。

9、如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据第一待转换电路或第二待转换电路输出电平的高低，控制第一转换单元和第二转换单元的导通或截止的方法具体包括：

若第一待转换电路输出低电平，则第一转换单元导通，第二转换单元导通，第二待转换电路输出低电平；或者，

若第一待转换电路输出高电平，则第一转换单元截止，第二转换单元截止，第二待转换电路输出高电平；或者，

若第二待转换电路输出低电平，则第一转换单元导通，第二转换单元导通，第一待转换电路输出低电平；或者，

若第二待转换电路输出高电平，则第一转换单元截止，第二转换单元截止，第一待转换电路输出高电平。

10、如权利要求6至9任一项所述的方法，其特征在于，

所述第一转换单元包括：MOS管；

所述第二转换单元包括：二极管。

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