CN109828939A - 串行总线的电平转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串行总线的电平转换电路，串行总线包括第一传输线，电平转换电路包括：第一NPN三极管，其基极连接至第一信号电压，发射极连接至第一信号电压和第一传输线的第一端，集电极连接至第二信号电压；第二NPN三极管，其基极连接至第二信号电压，发射极连接至第二信号电压和第一传输线的第二端，集电极连接至第一信号电压和第一传输线的第一端。本发明的上述技术方案提供了一种低成本、两侧可互换、可靠性高且具备隔离功能的电平转换电路。

Description

串行总线的电平转换电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种串行总线的电平转换电路。

背景技术

随着科技产业的不断发展，电子电路技术在计算、IT、移动互联网、人工智能等诸多热门领域的应用变得越来越多。从服务器到手机，从无人机到智能车，更高精度、更高稳定性的硬件电路设计对于种类繁多的硬件产品而言是一个永恒不变的需求。

I2C总线是一种半双工二线制同步串行总线。它只需要一根数据线与一根时钟线即可实现挂在总线上的设备间通信。由于I2C总线扩展性强且拓扑简单，在服务器、嵌入式、消费电子、汽车电子等多领域有着非常广泛的应用。在设计I2C总线时，经常会遇到总线设备接口电平不一致的情况，比如5V、3.3V、1.8V，此时就需要在设备间添加电平转换器。目前多采用I2C专用电平转换芯片来实现，如TI公司生产的PCA9306，可实现1.2V、1.8V、3.3V、5V等常见电平的转换，但转换芯片价格昂贵；有些还要要两边采用固定电平，且必须保证一侧比另一侧有一定的压降以保证一定的压降才能正常工作，使用起来比较麻烦，兼容性较差。参见图1，另外一种电平转换方案是采用两个N沟道MOS管TR1、TR2，分别串在数据线SDA与时钟线SDL上，通过MOS管TR1、TR2的开关特性来实现I2C电平的转换，此方案相比芯片方案降低了成本，但由于MOS管内存在寄生二极管，需要将较高电平的总线接至漏极，将较低电平的总线源级，因此依然存在电平转换方向的问题，两侧电压的高低是固定的，不能交换使用，比较死板。

发明内容

针对相关技术中的上述问题，本发明提出一种低成本、两侧可互换、可靠性高且具备隔离功能的电平转换电路，解决了现有技术中成本高、电平转换方向固定、两侧电压无法互换的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种串行总线的电平转换电路，所述串行总线包括第一传输线，所述电平转换电路包括：

第一NPN三极管，其基极连接至第一信号电压，发射极连接至所述第一信号电压和所述第一传输线的第一端，集电极连接至第二信号电压；

第二NPN三极管，其基极连接至所述第二信号电压，发射极连接至所述第二信号电压和所述第一传输线的第二端，集电极连接至所述第一信号电压和所述第一传输线的所述第一端。

根据本发明的实施例，所述串行总线还包括第二传输线，所述电平转换电路还包括：第三NPN三极管，其基极连接至第三信号电压，发射极连接至所述第三信号电压和所述第二传输线的第一端，集电极连接至第四信号电压；第四NPN三极管，其基极连接至所述第四信号电压，发射极连接至所述第四信号电压和所述第二传输线的第二端，集电极连接至所述第三信号电压和所述第二传输线的所述第一端。

根据本发明的实施例，还包括：第一上拉电阻器，其一端连接于所述第一信号电压，另一端连接于所述第一NPN三极管的发射极；第二上拉电阻器，其一端连接于所述第一信号电压，另一端连接于所述第一NPN三极管的基极；第三上拉电阻器，其一端连接于所述第二信号电压，另一端连接于所述第二NPN三极管的基极；第四上拉电阻器，其一端连接于所述第二信号电压，另一端连接于所述第一NPN三极管的发射极。

根据本发明的实施例，电平转换电路还包括：第五上拉电阻器，其一端连接于所述第三信号电压，另一端连接于所述第三NPN三极管的发射极；第六上拉电阻器，其一端连接于所述第三信号电压，另一端连接于所述第三NPN三极管的基极；第七上拉电阻器，其一端连接于所述第四信号电压，另一端连接于所述第四NPN三极管的基极；第八上拉电阻器，其一端连接于所述第四信号电压，另一端连接于所述第四NPN三极管的发射极。

根据本发明的实施例，所述第一上拉电阻器、所述第四上拉电阻器、所述第五上拉电阻器、所述第八上拉电阻器的阻值均为2k欧姆；所述第二上拉电阻器、所述第三上拉电阻器、所述第六上拉电阻器、所述第七上拉电阻器的阻值均为22k欧姆。

根据本发明的实施例，所述串行总线为I2C总线。

根据本发明的实施例，所述第一传输线为所述I2C总线的时钟线，所述第二传输线为所述I2C总线的数据线；或者所述第一传输线为所述I2C总线的数据线，所述第二传输线为所述I2C总线的时钟线。

根据本发明的实施例，所述第三信号电压与所述第一信号电压相等，所述第四信号电压与所述第二信号电压相等。

本发明的上述技术方案，提供了一种低成本、两侧可互换、可靠性高且具备隔离功能的电平转换电路，解决了现有技术中成本高、电平转换方向固定、两侧电压无法互换的问题。。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术的电平转换电路的示意图；

图2是根据本发明实施例的电平转换电路的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，根据本发明实施例的串行总线的电平转换电路，串行总线包括第一传输线SDA，电平转换电路包括：第一NPN三极管Q1和第二NPN三极管Q2。第一NPN三极管Q1的基极连接至第一信号电压VCCA1，发射极连接至第一信号电压VCCA1和第一传输线SDA的第一端SDA(A)，集电极连接至第二信号电压VCCB1。第二NPN三极管Q2的基极连接至第二信号电压VCCB1，发射极连接至第二信号电压VCCB1和第一传输线SDA的第二端SDA(B)，集电极连接至第一信号电压VCCA1和第一传输线SDA的第一端SDA(A)。

对于第一传输线SDA，第一传输线SDA左右两端SDA(A)、SDA(B)以及第一NPN三极管Q1、第二NPN三极管Q2逻辑状态变化如表1所示。

表1电路逻辑状态

可以看出，第二端SDA(B)会随着第一端SDA(A)的电平变化而改变，由于电路是完全对称的，因此反过来也会有相同的效果，从而实现第一传输线SDA信号的双向传输，与此同时，第一信号电压VCCA1与第二信号电压VCCB1也没有电压高低与先后的要求，可以自由转换。

如图2所示，串行总线为I2C总线。在本实施例中，第一传输线为I2C总线的时钟线SCL，第二传输线为I2C总线的数据线SDA。在另一个实施例中，第一传输线为I2C总线的数据线SDA，第二传输线为I2C总线的时钟线SCL。

本发明的电平转换电路还包括：第一上拉电阻器R1，其一端连接于第一信号电压VCCA1，另一端连接于第一NPN三极管Q1的发射极；第二上拉电阻器R2，其一端连接于第一信号电压VCCA1，另一端连接于第一NPN三极管Q1的基极；第三上拉电阻器R3，其一端连接于第二信号电压VCCB1，另一端连接于第二NPN三极管Q2的基极；第四上拉电阻器R4，其一端连接于第二信号电压VCCB1，另一端连接于第一NPN三极管Q1的发射极。从而，第一传输线SDA的第二端SDA(B)通过第三电阻器R3与第四电阻器R4上拉至VCCB；第一NPN三极管Q1的集电极通过第四电阻器R4上拉至VCCB，第二NPN三极管Q2的集电极通过第一电阻器R1上拉至VCCA。

在两侧中的任意一侧上拉失效时，假设VCCA降至0V，SDA(A)为0V，Q1截止，Q2截止，第二端SDA(B)不会受到第一端SDA(A)的影响；而由于设计本身的功能是任意电平转换，因此相比于图1的NMOS方案依靠寄生二极管的单向隔离，本发明的电平转换电路具有双向隔离的功能。

继续参考图2所示，串行总线还包括第二传输线SCL，电平转换电路还包括：第三NPN三极管Q3和第四NPN三极管Q4。第三NPN三极管Q3的基极连接至第三信号电压VCCA2，发射极连接至第三信号电压VCCA2和第二传输线SCL的第一端SCL(A)，集电极连接至第四信号电压VCCB2；第四NPN三极管Q4的基极连接至第四信号电压VCCB2，发射极连接至第四信号电压VCCB2和第二传输线SCL的第二端SCL(B)，集电极连接至第三信号电压VCCA2和第二传输线SCL的第一端SCL(A)。

应当理解，第二传输线SCL的工作原理与第一传输线SDA的工作原理相同，从而可实现第二传输线SCL信号的双向传输，与此同时，第三信号电压VCCA2与第四信号电压VCCB2也没有电压高低与先后的要求，可以自由转换。

在本实施例中，第三信号电压VCCA2与第一信号电压VCCA1相等，第四信号电压VCCB2与第二信号电压VCCB1相等。

同样的，电平转换电路还包括：第五上拉电阻器R5，其一端连接于第三信号电压，另一端连接于第三NPN三极管Q3的发射极；第六上拉电阻器R6，其一端连接于第三信号电压，另一端连接于第三NPN三极管Q3的基极；第七上拉电阻器R7，其一端连接于第四信号电压，另一端连接于第四NPN三极管Q4的基极；第八上拉电阻器R8，其一端连接于第四信号电压，另一端连接于第四NPN三极管Q4的发射极。

其中，第一上拉电阻器R1、第四上拉电阻器R4、第五上拉电阻器R5、第八上拉电阻器R8的阻值均为2k欧姆。第二上拉电阻器R2、第三上拉电阻器R3、第六上拉电阻器R6、第七上拉电阻器R7的阻值均为22k欧姆。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种串行总线的电平转换电路，其特征在于，所述串行总线包括第一传输线，所述电平转换电路包括：

第一NPN三极管，其基极连接至第一信号电压，发射极连接至所述第一信号电压和所述第一传输线的第一端，集电极连接至第二信号电压；

第二NPN三极管，其基极连接至所述第二信号电压，发射极连接至所述第二信号电压和所述第一传输线的第二端，集电极连接至所述第一信号电压和所述第一传输线的所述第一端。

2.根据权利要求1所述的串行总线的电平转换电路，其特征在于，所述串行总线还包括第二传输线，所述电平转换电路还包括：

第三NPN三极管，其基极连接至第三信号电压，发射极连接至所述第三信号电压和所述第二传输线的第一端，集电极连接至第四信号电压；

第四NPN三极管，其基极连接至所述第四信号电压，发射极连接至所述第四信号电压和所述第二传输线的第二端，集电极连接至所述第三信号电压和所述第二传输线的所述第一端。

3.根据权利要求2所述的串行总线的电平转换电路，其特征在于，还包括：

第一上拉电阻器，其一端连接于所述第一信号电压，另一端连接于所述第一NPN三极管的发射极；

第二上拉电阻器，其一端连接于所述第一信号电压，另一端连接于所述第一NPN三极管的基极；

第三上拉电阻器，其一端连接于所述第二信号电压，另一端连接于所述第二NPN三极管的基极；

第四上拉电阻器，其一端连接于所述第二信号电压，另一端连接于所述第一NPN三极管的发射极。

4.根据权利要求3所述的串行总线的电平转换电路，其特征在于，还包括：

第五上拉电阻器，其一端连接于所述第三信号电压，另一端连接于所述第三NPN三极管的发射极；

第六上拉电阻器，其一端连接于所述第三信号电压，另一端连接于所述第三NPN三极管的基极；

第七上拉电阻器，其一端连接于所述第四信号电压，另一端连接于所述第四NPN三极管的基极；

第八上拉电阻器，其一端连接于所述第四信号电压，另一端连接于所述第四NPN三极管的发射极。

5.根据权利要求4所述的串行总线的电平转换电路，其特征在于，所述第一上拉电阻器、所述第四上拉电阻器、所述第五上拉电阻器、所述第八上拉电阻器的阻值均为2k欧姆；

所述第二上拉电阻器、所述第三上拉电阻器、所述第六上拉电阻器、所述第七上拉电阻器的阻值均为22k欧姆。

6.根据权利要求1或2所述的串行总线的电平转换电路，其特征在于，所述串行总线为I2C总线。

7.根据权利要求6所述的串行总线的电平转换电路，其特征在于，所述第一传输线为所述I2C总线的时钟线，所述第二传输线为所述I2C总线的数据线；或者

所述第一传输线为所述I2C总线的数据线，所述第二传输线为所述I2C总线的时钟线。

8.根据权利要求2所述的串行总线的电平转换电路，其特征在于，所述第三信号电压与所述第一信号电压相等，所述第四信号电压与所述第二信号电压相等。