CN112953221B - 一种电压转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电压转换装置，涉及电压转换技术领域，包括：第一拉升电阻，一端与主器件信号传输端连接，另一端连接第一电源；第二拉升电阻，一端与从器件信号传输端连接，另一端连接第二电源；第一MOS管，其源极与主器件信号传输端连接；第二MOS管，其源极与从器件信号传输端连接，漏极与主器件信号传输端连接；开关控制单元，其具有与所述第一MOS管栅极连接的第一开关信号输出端；电压转换单元，其输入端与所述第一MOS管漏极连接，其输出端与所述从器件信号传输端连接；该电压转换装置解决了在设计中遇到的主器件输出的低电平电压无法满足从器件要求的问题，从而避免了总体方案设计失效或因为此因素需要更改设计方案的情况。

Description

一种电压转换装置
技术领域
本发明涉及电压转换技术领域，尤其是涉及一种电压转换装置。
背景技术
I2C总线是一种简单、双向二线制同步串行总线，它只需要两根线(SCL-器件时钟、SDA-数据)即可在连接于总线上的主从器件之间传送信息。因I2C总线只需要两根信号线，占用空间非常小，且支持总线上一个主器件对多个从器件通信或多个主器件对多个从器件通信，因此I2C总线被大量运用在服务器系统中。
目前的服务器系统架构复杂多变，部件配置众多，诸多I2C主器件会因为各种需要与总线上的从器件进行通信，如CPU需要收集内存和电压调节器的各种资讯；NVMe固态硬盘控制卡需要收集硬盘在位信号以及控制硬盘灯状态；BMC需要对系统各项指标如功耗、温度和运行状况进行监控，对各个部件如板卡、设备等进行识别以及管理等。服务器硬件系统较为庞大，I2C总线上的主器件一般需要对多个从器件进行通信，但有的从器件跟主器件使用了不同的电源电压或电源域，为防止器件损坏或漏电的情况发生，这时需要在主器件跟从器件之间串入电平转换零件或线路来实现电平转换或电源隔离。
但目前的电平转换零件都只对高电平(High)信号进行了转换，而低电平(Low)信号只能做到高进高出，低进低出，当主器件因输出内阻或外部串阻等原因导致输出的低电平电压较高而从器件对输入的低电平电压有严格要求(如电源脉宽调制控制器SN1701022RSBR对低电平输入要求小于0.45V,一般器件的要求为小于0.8V)时，现有的电平转换零件因无法将低电平电压调整到满足从器件要求而导致整体设计最终失效。
当前系统设计中常使用I2C电平转换中继器如PCA9517，PCA9617以及TCA9617A来实现电平转换，这些器件可以很好的适配各种高电平电压转换以及不同电压域转换，而对低电平有较多的限制条件。
如PCA9517、PCA9617以及TCA9617A等I2C电平转换中继器对低电平信号只能做到高进(<0.25VCC)高出(0.5V)，低进(<0.4V)低出(0.1V)，没有办法实现低电平电压高进(>0.4V)低出(0.1V)，从而无法适配主器件输出低电平电压较高而从器件要求低电平低输入电压的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电压转换装置，既可以实现I2C总线高电平电压转换，也解决主器件输出的低电平电压无法满足从器件要求的问题。
为了解决上述问题，本发明提供的一种电压转换装置，包括：
第一拉升电阻，一端与主器件信号传输端连接，另一端连接第一电源；
第二拉升电阻，一端与从器件信号传输端连接，另一端连接第二电源；
第一MOS管，其源极与主器件信号传输端连接；
第二MOS管，其源极与从器件信号传输端连接，漏极与主器件信号传输端连接；
开关控制单元，其具有与所述第一MOS管栅极连接的第一开关信号输出端，和与所述第二MOS管栅极连接的第二开关信号输出端，其用于当主器件信号传输端电压值或从器件信号传输端电压值小于等于预设第一电压比较值时，或者当主器件信号传输端电压值或从器件信号传输端电压值大于等于预设第二电压比较值时，通过第一开关信号输出端输出低电平，同时通过第二开关信号输出端输出高电平，其中，所述第一电压比较值小于所述第二电压比较值，所述第一电源和第二电源的电压值均大于所述第二电压比较值，当主器件信号传输端电压值大于所述第一电压比较值且小于第二电压比较值时，通过第一开关信号输出端输出高电平，同时通过第二开关信号输出端输出低电平；
电压转换单元，其输入端与所述第一MOS管漏极连接，其输出端与所述从器件信号传输端连接，当所述第一MOS管导通时，所述电压转换单元输出端输出小于设定电压值的信号，当所述第一MOS管截止时，所述电压转换单元输出端为高阻态。
进一步的，所述开关控制单元包括：
电压比较模块，其输出端为所述第二开关信号输入端，当主器件信号传输端电压值或从器件信号传输端电压值小于等于预设第一电压比较值时，或者当主器件信号传输端电压值或从器件信号传输端电压值大于等于预设第二电压比较值时，所述电压比较模块输出端输出低电平，当主器件信号传输端电压值大于所述第一电压比较值且小于第二电压比较值时，所述电压比较模块输出端为高阻态；
第三拉升电阻，其一端与所述电压比较模块输出端连接，另一端连接第三电源；
反相器，其电源端连接第四电源，输入端连接所述电压比较模块输出端，输出端为所述第二开关信号输出端。
进一步的，所述电压比较模块包括：
第一比较器，其电源端连接第五电源，其输出端为所述电压比较模块输出端，其输入正极接入所述第二电压比较值信号，其输入负极与所述主器件信号传输端连接；
第二比较器，其电源端连接第六电源，其输出端为所述电压比较模块输出端，其输入正极与所述主器件信号传输端连接，其输入负极接入所述第一电压比较值信号。
进一步的，所述电压转换单元包括：
缓冲器，其电源端连接第七电源，其输入端为所述电压转换单元输入端，其输出端为所述电压转换单元输出端；
第四拉升电阻，其一端与所述缓冲器输入端连接，另一端连接第八电源。
进一步的，所述电压转换装置，还包括：
限流电阻，其连接在所述第二MOS管栅极与所述第二开关信号输出端之间。
进一步的，所述开关控制单元还包括：
过滤电容，其一端接地，另一端连接所述第一开关信号输入端。
进一步的，所述第一电源、第三电源、第五电源、第六电源以及第八电源为同一电源，所述第二电源、第四电源以及第七电源为同一电源。
进一步的，所述预设第一电压比较值为0.4V，所述预设第二电压比较值为0.8V。
本发明提供的一种电压转换装置，解决了在设计中遇到的主器件输出的低电平电压无法满足从器件要求的问题，从而避免了总体方案设计失效或因为此因素需要更改设计方案的情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的结构框图；
图2为本发明实施例提供的实施线路示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中所提到的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括其他没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例提供了一种电压转换装置，包括：
第一拉升电阻，一端与主器件信号传输端连接，另一端连接第一电源；
第二拉升电阻，一端与从器件信号传输端连接，另一端连接第二电源；
第一MOS管，其源极与主器件信号传输端连接；
第二MOS管，其源极与从器件信号传输端连接，漏极与主器件信号传输端连接；
开关控制单元，其具有与第一MOS管栅极连接的第一开关信号输出端，和与第二MOS管栅极连接的第二开关信号输出端，其用于当主器件信号传输端电压值或从器件信号传输端电压值小于等于预设第一电压比较值时，或者当主器件信号传输端电压值或从器件信号传输端电压值大于等于预设第二电压比较值时，通过第一开关信号输出端输出低电平，同时通过第二开关信号输出端输出高电平，其中，第一电压比较值小于第二电压比较值，第一电源和第二电源的电压值均大于第二电压比较值，当主器件信号传输端电压值大于第一电压比较值且小于第二电压比较值时，通过第一开关信号输出端输出高电平，同时通过第二开关信号输出端输出低电平；
电压转换单元，其输入端与第一MOS管漏极连接，其输出端与从器件信号传输端连接，当第一MOS管导通时，电压转换单元输出端输出小于设定电压值的信号，当第一MOS管截止时，电压转换单元输出端为高阻态。
在上述电压转换装置中，开关控制单元包括：
电压比较模块，其输出端为第二开关信号输入端，当主器件信号传输端电压值或从器件信号传输端电压值小于等于预设第一电压比较值时，或者当主器件信号传输端电压值或从器件信号传输端电压值大于等于预设第二电压比较值时，电压比较模块输出端输出低电平，当主器件信号传输端电压值大于第一电压比较值且小于第二电压比较值时，电压比较模块输出端为高阻态；
第三拉升电阻，其一端与电压比较模块输出端连接，另一端连接第三电源；
反相器，其电源端连接第四电源，输入端连接电压比较模块输出端，输出端为第二开关信号输出端。
在上述电压转换装置中，电压比较模块包括：
第一比较器，其电源端连接第五电源，其输出端为电压比较模块输出端，其输入正极接入第二电压比较值信号，其输入负极与主器件信号传输端连接；
第二比较器，其电源端连接第六电源，其输出端为电压比较模块输出端，其输入正极与主器件信号传输端连接，其输入负极接入第一电压比较值信号。
在上述电压转换装置中，电压转换单元包括：
缓冲器，其电源端连接第七电源，其输入端为电压转换单元输入端，其输出端为电压转换单元输出端；
第四拉升电阻，其一端与缓冲器输入端连接，另一端连接第八电源。
在上述电压转换装置中，电压转换装置，还包括：
限流电阻，其连接在第二MOS管栅极与第二开关信号输出端之间。
在上述电压转换装置中，开关控制单元还包括：
过滤电容，滤掉由于输入突变，引起的比较器输出结果突变导致的波形输出，避免影响整个通路的变化，其一端接地，另一端连接第一开关信号输入端。
在上述电压转换装置中，第一电源、第三电源、第五电源、第六电源以及第八电源为同一电源，第二电源、第四电源以及第七电源为同一电源，起到整合线路，防止漏电的作用。
在上述电压转换装置中，预设第一电压比较值为0.4V，预设第二电压比较值为0.8V。
上述电压转换装置解决了在设计中遇到的主器件输出的低电平电压无法满足从器件要求的问题，从而避免了总体方案设计失效或因为此因素需要更改设计方案的情况。
为了更进一步的对本实施例进行说明，现做出如下叙述：
请参阅图1，图1是整个电压转换装置的框图结构，将I2C总线信号传输路径分为两条，并使用主器件端信号电压作为判断依据，路径1仅传输满足条件的低电平信号，路径2实现双向传输所有不满足条件的高、低电平信号。若主器件端信号电压处于0.4V到0.8V的稳定态(非瞬态)，I2C总线信号将从路径1进行传输并将电压降低到0.1V输出，此时路径2关闭以防止输出信号反灌到主器件端而导致判断机制失效；若主器件端电压小于0.4V或大于0.8V，I2C总线信号将从路径2进行传输并实现高电平电压转换，此时路径1关闭以防止陷入低电平死循环。透过两条路径的方式，达成高电平电压转换的同时并实现降低输入的低电平电压到0.1V输出。
另外，关于本实施例的实现过程，请参阅图2；
图2是本发明的实施线路示意图，I2C是双向传输的串行总线，但时钟信号SCL为单向传输信号(只由主器件发送给从器件)，数据信号SDA为双向传输，因此数据信号SDA的传输过程更为复杂，以下方案说明以数据信号SDA为例。示意图部件包含：
电源：VCC1，VCC2。VCC1和VCC2为相同或不同电压、域电源
比较器：U1A，U1B。U1A和U1B为漏极开路输出的比较器
反相器：U2
缓冲器：U3。U3为漏极开路输出的缓冲器
MOSFET：Q1，Q2。Q1和Q2为N型MOS，该类MOS自带体二极体从S极到D极
电阻电容：R1-R5，C1
依据图2线路示意图，数据传输及方案实施具体过程如下：
1、数据由主器件发送，从器件接收；
若I2C数据信号为低电平且电压小于0.4V，此时比较器U1A正端输入高于负端输入，输出高阻态，而比较器U1B正端输入低于负端输入，输出为低(0V)，比较器总输出信号为低。因此NMOS Q1 G极电压为0V，G极电压和S极电压差VGS小于导通门限电压(一般为1.4V)，Q1截止(D极和S极不导通)，缓冲器U3输入脚2由电阻R4拉高为高电平，输出为高阻态。此时反相器U2输入脚2电压为0V(低)，故输出高电平给NMOS Q2 G极，因Q2 D极I2C数据信号为低，D极低电平透过Q2的体二极体将S极拉低，VGS大于导通门限电压，Q2 D极与S极完全导通，实现I2C数据信号低电平从主器件经过Q2直接发送给从器件。
若I2C数据信号为低电平且电压介于0.4V与0.8V之间，此时比较器U1A和U1B正端输入均高于负端输入，都输出高阻态，比较器总输出信号由电阻R2拉高为高电平。因此NMOSQ1 G极为高电平，S极I2C数据信号为低，G极电压和S极电压差VGS大于导通门限电压，Q1 D极与S极完全导通，I2C低电平数据信号(0.4V<V<0.8V)输入缓冲器U3并由缓冲器将电压降低到0.1V以下然后输出，即实现将主器件输出低电平电压降低到0.1V再传送给从器件。此时反相器U2输入脚2电平为高，故输出低电平给NMOS Q2 G极，VGS小于导通门限电压，Q2截止(D极和S极不导通)，缓冲器U3输出信号无法经过Q2返回到输入端，从而防止因输出信号混入输入信号而引起输入端比较器判断错误。
若I2C数据信号为高电平(电压＝VCC1，一定大于0.8V)，此时比较器U1A正端输入低于负端输入，输出为低(0V)，而比较器U1B正端输入高于负端输入，输出高阻态，比较器总输出信号为低。因此NMOS Q1 G极电压为0V，G极电压和S极电压差VGS小于导通门限电压(一般为1.4V)，Q1截止(D极和S极不导通)，缓冲器U3输入脚2由电阻R4拉高为高电平，输出为高阻态。此时反相器U2输入脚2电压为0V(低)，故输出高电平给NMOS Q2 G极，因Q2 D极I2C数据信号为高，S极亦被电阻R5拉高到VCC2，VGS小于导通门限电压，Q2截止(D极和S极不导通)，因此从器件端会看到电压为VCC2的高电平。实现I2C数据信号高电平电压从主器件端VCC1到从器件端VCC2的转换。
2、数据由从器件发送，主器件接收；
在I2C总线空闲状态，主器件和从器件的I2C信号都由电阻R1和R5分别拉高到VCC1和VCC2，比较器U1B输出高阻态，U1A输出为低，比较器总输出信号为低。Q1截止，Q2 G极为高电平，S极同为高电平，Q2亦截止。
若此时从器件发出I2C数据信号为低电平(从器件I2C信号一定小于0.4V)，Q1截止，Q2 G极为高电平，S极则变为低电平，G极电压和S极电压差VGS大于导通门限电压，Q2 D极与S极完全导通。故而低电平信号由从器件端经过Q2传送到主器件端，因低电平信号电压小于0.4V，比较器状态变更为U1A输出高阻态，而U1B输出为低，但总输出信号保持为低，因此Q1和Q2的状态仍为Q1截止，Q2导通。从而实现从器件端可持续传输低电平信号给主器件。
若此时从器件发出I2C数据信号为高电平(电压＝VCC2，一定大于0.8V)，Q1截止，虽然Q2 G极为高电平，但S极亦为高电平，VGS小于导通门限电压，Q2也截止，此时主器件端I2C信号由电阻R1拉高到VCC1。从而实现了VCC2到VCC1的高电平电压转换。
综上所述，此线路示意图可实现将介于0.4V和0.8V之间的低电平信号从主器件端降低到0.1V然后传输到从器件端，也可实现双向传输小于0.4V的低电平信号，并可实现高电平信号电压从VCC1到VCC2的转换。因此此方案很好的解决了在设计中遇到的主器件输出的低电平电压无法满足从器件要求的问题。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。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以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种电压转换装置，其特征在于，包括：
第一拉升电阻，一端与主器件信号传输端连接，另一端连接第一电源；
第二拉升电阻，一端与从器件信号传输端连接，另一端连接第二电源；
第一MOS管，其源极与主器件信号传输端连接；
第二MOS管，其源极与从器件信号传输端连接，漏极与主器件信号传输端连接；
开关控制单元，其具有与所述第一MOS管栅极连接的第一开关信号输出端，和与所述第二MOS管栅极连接的第二开关信号输出端，其用于当主器件信号传输端电压值或从器件信号传输端电压值小于等于预设第一电压比较值时，或者当主器件信号传输端电压值或从器件信号传输端电压值大于等于预设第二电压比较值时，通过第一开关信号输出端输出低电平，同时通过第二开关信号输出端输出高电平，其中，所述第一电压比较值小于所述第二电压比较值，所述第一电源和第二电源的电压值均大于所述第二电压比较值，当主器件信号传输端电压值大于所述第一电压比较值且小于第二电压比较值时，通过第一开关信号输出端输出高电平，同时通过第二开关信号输出端输出低电平；
电压转换单元，其输入端与所述第一MOS管漏极连接，其输出端与所述从器件信号传输端连接，当所述第一MOS管导通时，所述电压转换单元输出端输出小于设定电压值的信号，当所述第一MOS管截止时，所述电压转换单元输出端为高阻态；所述电压转换单元包括：缓冲器，其电源端连接第七电源，其输入端为所述电压转换单元输入端，其输出端为所述电压转换单元输出端；第四拉升电阻，其一端与所述缓冲器输入端连接，另一端连接第八电源。
2.根据权利要求1所述的电压转换装置，其特征在于，所述开关控制单元包括：
电压比较模块，其输出端为所述第二开关信号输出端，当主器件信号传输端电压值或从器件信号传输端电压值小于等于预设第一电压比较值时，或者当主器件信号传输端电压值或从器件信号传输端电压值大于等于预设第二电压比较值时，所述电压比较模块输出端输出低电平，当主器件信号传输端电压值大于所述第一电压比较值且小于第二电压比较值时，所述电压比较模块输出端为高阻态；
第三拉升电阻，其一端与所述电压比较模块输出端连接，另一端连接第三电源；
反相器，其电源端连接第四电源，输入端连接所述电压比较模块输出端，输出端为所述第二开关信号输出端。
3.根据权利要求2所述的电压转换装置，其特征在于，所述电压比较模块包括：
第一比较器，其电源端连接第五电源，其输出端为所述电压比较模块输出端，其输入正极接入所述第二电压比较值信号，其输入负极与所述主器件信号传输端连接；
第二比较器，其电源端连接第六电源，其输出端为所述电压比较模块输出端，其输入正极与所述主器件信号传输端连接，其输入负极接入所述第一电压比较值信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电压转换装置，其特征在于，还包括：
限流电阻，其连接在所述第二MOS管栅极与所述第二开关信号输出端之间。
5.根据权利要求2或3所述的电压转换装置，其特征在于，所述开关控制单元还包括：
过滤电容，其一端接地，另一端连接所述第一开关信号输出端。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的电压转换装置，其特征在于，所述第一电源、第三电源、第五电源、第六电源以及第八电源为同一电源，所述第二电源、第四电源以及第七电源为同一电源。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的电压转换装置，其特征在于，所述预设第一电压比较值为0.4V，所述预设第二电压比较值为0.8V。
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