CN213990639U - 一种双向电平转换电路及具有其的i2c系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双向电平转换电路及具有其的I2C系统，所述双向电平转换电路包括具有源极、门极和漏极的MOS场效应管、与源极连接的第一电阻、与门极连接的第二电阻、与漏极连接的第三电阻，所述的I2C系统包括两个所述的双向电平转换电路，所述I2C系统两端分别与第一用电器、第二用电器连接。本实用新型能够实现逻辑电平在两个方向上的转换与传输，且不会影响驱动部分工作。

Description

一种双向电平转换电路及具有其的I2C系统

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，特别涉及一种双向电平转换电路及具有其的I2C系统。

背景技术

单片机的应用范围十分广泛。在单片机技术中，对于CAN总线、RS485总线、SPI总线等经常有需要转换电路的情况。比如，通常在单片机控制系统中，主控制器为3.3V系统，而I2C总线上有些部件为3.3V的，有些为5V的，为了能够双向通讯，必须引入转换电路，但现有技术中的转换电路往往会有各种副作用，比如完成转换的同时影响单片机的驱动部分。

实用新型内容

为了解决现有技术的问题，本实用新型提供了一种双向电平转换电路及具有其的I2C系统，实现逻辑电平在两个方向上的传输，且不影响驱动部分，技术方案如下：

一方面，本实用新型提供了一种双向电平转换电路，包括：

MOS场效应管，所述MOS场效应管包括源极、门极和漏极，所述源极与电路第一输出端连接，所述漏极与电路第二输出端连接；

第一电阻，所述第一电阻一端与所述源极连接、另一端与第一电源连接；

第二电阻，所述第二电阻一端与所述门极连接、另一端与第一电源连接；

第三电阻，所述第三电阻一端与所述漏极连接、另一端与第二电源连接。

进一步地，所述第一电源的输出电压小于或等于所述第二电源的输出电压。

进一步地，所述门极与所述源极之间的电压小于或等于所述第一电源的输出电压。

进一步地，所述漏极与所述源极之间的电压小于或等于所述第二电源的输出电压。

进一步地，所述第一电源的输出电压为3.3V，所述第二电源的输出电压为5V。

另一方面，本实用新型提供了一种I2C总线系统，包括一个或多个所述的双向电平转换电路。

进一步地，所述I2C总线系统包括第一双向电平转换电路和第二双向电平转换电路，所述电路第一输出端包括两个分别与所述第一双向电平转换电路和所述第二双向电平转换电路连接的端口，所述电路第二输出端包括两个分别与所述第一双向电平转换电路和所述第二双向电平转换电路连接的端口。

进一步地，所述I2C总线系统还包括

第一用电器，所述第一用电器的两端分别与电路第一输出端的两个端口连接；

第二用电器，所述第二用电器的两端分别与电路第二输出端的两个端口连接。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果如下：

a.实现逻辑电平在两个方向上的传输，能够双向通讯；

b.不会影响驱动部分；

c.结构简单、制造成本低、易安装应用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的双向电平转换电路的电路图；

图2是本实用新型实施例提供的I2C系统的电路图；

图3是本实用新型实施例提供的I2C系统工作时对应的第一波形图；

图4是本实用新型实施例提供的I2C系统工作时对应的第二波形图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，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、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实用新型的一个实施例中，提供了一种双向电平转换电路，如图1所示，包括：

MOS场效应管，所述MOS场效应管包括源极、门极和漏极，所述源极与电路第一输出端连接，所述漏极与电路第二输出端连接；

第一电阻，所述第一电阻一端与所述源极连接、另一端与第一电源连接；

第二电阻，所述第二电阻一端与所述门极连接、另一端与第一电源连接；

第三电阻，所述第三电阻一端与所述漏极连接、另一端与第二电源连接。

进一步地，所述第一电源的输出电压小于或等于所述第二电源的输出电压。

在本实用新型的一个实施例中，所述门极与所述源极之间的电压小于或等于所述第一电源的输出电压。

在本实用新型的一个实施例中，所述漏极与所述源极之间的电压小于或等于所述第二电源的输出电压。

在本实用新型的一个实施例中，所述第一电源的输出电压为3.3V，所述第二电源的输出电压为5V。

下面结合图1对本实用新型的具体实施方式进行详细说明，在图1中，各个元器件的名称如表1所示：

表1电路图元器件表

序号	元器件	名称
			1	R1，R2，R3	上拉电阻
2	Q1	NMOS管
			3	VCC_S1	电源S1
4	VCC_S2	电源S2

首先，实现电平双向传输的限制条件为：

1.VCC_S1<＝VCC_S2；

2.S1的低电平门限大于0.7V左右(视NMOS内的二极管压降而定)；

3.Vgs<＝VCC_S1；

4.Vds<＝VCC_S2。

然后，定义VCC_S1是3.3V为A侧，VCC_S2为5V为B侧。在进行电平转换时，有如下逻辑关系：

1.A端输出低电平时(0V)，MOS管导通，B端输出是低电平(0V)；

2.A端输出高电平时(3.3V)，MOS管截止，B端输出是高电平(5V)；

3.A端输出高阻时(OC)，MOS管截止，B端输出是高电平(5V)；

4.B端输出低电平时(0V)，MOS管内的二极管导通，从而使MOS管导通，A端输出是低电平(0V)；

5.B端输出高电平时(5V)，MOS管截止，A端输出是高电平(3.3V)；

6.B端输出高阻时(OC)，MOS管截止，A端输出是高电平(3.3V)；

该转换电路性价比高，结构简单，正反向双向导通相当于机械开关，但注意只适用低于1MHz的低频情况。

同理，对于3.3V和5V,3.3V和12V,2V和10V等电路也是相同的转换原理。

利用MOS-FET管(即MOS场效应管)的导通和截止特性，实现逻辑电平在两个方向上传输，且不影响驱动部分。

该电路主要用于3.3V和5V的双向转换，可以解决单片机控制系统的I2C总线上部件电平不统一的问题。同理,该电路还可以应用于CAN总线、RS485总线、SPI总线和I/O的输入输出转换。

本实用新型还提供了一种I2C总线系统，如图2所示，所述I2C总线系统包括一个或多个所述的双向电平转换电路。

在本实用新型的一个实施例中，所述I2C总线系统包括第一双向电平转换电路和第二双向电平转换电路，所述电路第一输出端包括两个分别与所述第一双向电平转换电路和所述第二双向电平转换电路连接的端口，所述电路第二输出端包括两个分别与所述第一双向电平转换电路和所述第二双向电平转换电路连接的端口。

具体地，在图2中，电阻R1、电阻R2、电阻R3、MOS场效应管Q1组成了第一双向电平转换电路，电阻R4、电阻R5、电阻R6、MOS场效应管Q2组成了第二双向电平转换电路。SDA和SCL分别是I2C系统的两条通讯线。

在本实用新型的一个实施例中，所述I2C总线系统还包括

第一用电器，所述第一用电器的两端分别与电路第一输出端的两个端口连接；

第二用电器，所述第二用电器的两端分别与电路第二输出端的两个端口连接。

下面提供本实用新型的I2C总线系统的工作原理，图3和图4是对本实施例的实验验证结果，本例中的3.3V总线器件即所述的第一用电器，5V总线器件即所述的第二用电器。

通常在单片机控制系统中，主控制器为3.3V系统，而I2C总线上有些部件为3.3V的，有些为5V的，为了在同一总线上双向通讯，就需要用到该双向电平转换电路。见图2，定义左侧为A，右侧为B，两侧电平逻辑状态有三种：

两侧高电平时，其状态逻辑是：A侧没有器件下拉总线线路，那么，A侧总线被上拉电阻R1、R4上拉至3.3V。MOS-FET管的门极和源极都是3.3V，所以它的VGS低于阀值电压，MOS-FET管不导通。所以，B侧总线被上拉电阻R3、R6上拉到5V。此时，A、B两侧总线都是高电平，只是电压电平不同；同理，B侧没有器件下拉的情况，MOS-FET管不导通，此时，A、B两侧总线都是高电平，且电压电平不同；

A侧由高电平变低电平，触发B侧由高电平变低电平，如图3的波形图所示，其状态逻辑是：A侧3.3V总线器件下拉到低电平，MOS-FET管的源极也变成低电平，而门极是3.3V，则VGS上升高于阀值，MOS-FET管开始导通。然后，B侧总线高电平被导通的MOS-FET管的5V器件下拉到低电平。此时，A、B两侧的总线都是低电平，而且电压电平相同；

B侧由高电平变低电平，触发A侧由高电平变低电平，如图4的波形图所示，其状态逻辑是：B侧5V总线器件下拉到低电平，MOS-FET管的漏极基底二极管被下拉直到VGS超过阀值，MOS-FET管开始导通。A侧3.3V总线高电平通过导通的MOS-FET管，被B侧5V的器件进一步下拉到低电平。此时，A、B两侧的总线都是低电平，而且电压电平相同。

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

Claims (8)

1.一种双向电平转换电路，其特征在于，包括：

MOS场效应管，所述MOS场效应管包括源极、门极和漏极，所述源极与电路第一输出端连接，所述漏极与电路第二输出端连接；

第一电阻，所述第一电阻一端与所述源极连接、另一端与第一电源连接；

第二电阻，所述第二电阻一端与所述门极连接、另一端与第一电源连接；

第三电阻，所述第三电阻一端与所述漏极连接、另一端与第二电源连接。

2.如权利要求1所述的双向电平转换电路，其特征在于，所述第一电源的输出电压小于或等于所述第二电源的输出电压。

3.如权利要求1所述的双向电平转换电路，其特征在于，所述门极与所述源极之间的电压小于或等于所述第一电源的输出电压。

4.如权利要求1所述的双向电平转换电路，其特征在于，所述漏极与所述源极之间的电压小于或等于所述第二电源的输出电压。

5.如权利要求1所述的双向电平转换电路，其特征在于，所述第一电源的输出电压为3.3V，所述第二电源的输出电压为5V。

6.一种I2C总线系统，其特征在于，包括一个或多个如权利要求1-5中任一项所述的双向电平转换电路。

7.如权利要求6所述的I2C总线系统，其特征在于，所述I2C总线系统包括第一双向电平转换电路和第二双向电平转换电路，所述电路第一输出端包括两个分别与所述第一双向电平转换电路和所述第二双向电平转换电路连接的端口，所述电路第二输出端包括两个分别与所述第一双向电平转换电路和所述第二双向电平转换电路连接的端口。

8.如权利要求7所述的I2C总线系统，其特征在于，所述I2C总线系统还包括

第一用电器，所述第一用电器的两端分别与电路第一输出端的两个端口连接；

第二用电器，所述第二用电器的两端分别与电路第二输出端的两个端口连接。

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