一种电平转换电路及开关电源的制作方法

1.本技术涉及电子电路设计技术领域，尤其涉及一种电平转换电路及开关电源。


背景技术：

2.电路设计整体非常复杂，但复杂的整体往往可以拆分为多个简单的模块，每个模块各自实现独立的功能，最后整合为一个产品。但是各个模块的工作环境可能不同，如有的模块使用3.3v电压域的器件，有的模块使用5v电压域的器件。若需要在电路设计中实现跨电压域进行信号传递，就需要电平转换电路将信号从一种电压域转换到另外一种电压域。
3.参照图1所示，相关技术中存在一种电平转换电路，然而该电平转换电路需要依赖锁存功能才能实现电平转换，并且该电平转换电路需要11个mos管，包括6个低压管，5个高压管，高压管的制作工艺决定了高压管的面积会比低压管大9倍左右，导致该电平转换电路结构复杂，成本高。
4.针对需要结合锁存电路才能实现电平转换的问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种电平转换电路及开关电源，以解决需要结合锁存电路才能实现电平转换的技术问题。
6.根据本技术实施例的一个方面，本技术提供了一种电平转换电路，包括：
7.第一电平转换模块，用于在接收到第一电压域的第一电平信号的情况下，将第一电平信号转换为第二电压域的第二电平信号，其中，第一电压域与第二电压域的电源电压不同，第二电平信号与第一电平信号的电位相反；
8.第二电平转换模块，与第一电平转换模块耦接，用于将第二电平信号转换为第二电压域的第三电平信号，其中，第三电平信号与第一电平信号的电位相同。
9.可选地，第一电平转换模块包括：
10.电流镜，电流镜的输入端与第一电源耦接；
11.第一晶体管，第一晶体管的栅极与第一电压域的信号输出端耦接，第一晶体管的源极接地，第一晶体管的漏极与电流镜的接地端耦接；
12.钳位器，钳位器的第一端口与第二电源耦接，钳位器的第二端口与第一电源耦接，钳位器的第三端口与电流镜的输出端耦接。
13.可选地，第一电源的电源电压小于第二电源的电源电压，第一电源用于驱动钳位器中的晶体管导通，第二电源的电源电压与第二电压域的电源电压相同，第二电源用于产生第二电压域的高电位。
14.可选地，电流镜包括：
15.第二晶体管，第二晶体管的漏极为电流镜的输出端，第二晶体管的源极与第一晶体管的漏极耦接；
16.第三晶体管，第三晶体管的漏极为电流镜的输入端，第三晶体管的栅极与第二晶体管的栅极耦接，第三晶体管的源极与第一晶体管的漏极耦接，第三晶体管的漏极与第三晶体管的栅极连接。
17.可选地，第三晶体管的漏极与第一电源之间还串联有第一电阻，第一电阻用于产生电流镜的驱动电流。
18.可选地，钳位器包括：
19.第二电阻，第二电阻的一端为钳位器的第一端口；
20.第四晶体管，第四晶体管的漏极与第二电阻的另一端耦接，第四晶体管的栅极为钳位器的第二端口，第四晶体管的源极为钳位器的第三端口。
21.可选地，第二电平转换模块包括：
22.反相器，反相器的第一侧端口与第二电源耦接，反相器的第二侧端口与参考电压端口耦接，参考电压端口用于产生第二电压域的低电位，反相器的输入端分别与第二晶体管的漏极、第四晶体管的源极耦接，反相器的输出端与第二电压域的输入端耦接。
23.可选地，反相器包括：
24.第五晶体管，第五晶体管的源极为反相器的第一侧端口，第五晶体管的栅极为反相器的输入端，第五晶体管的漏极为反相器的输出端；
25.第六晶体管，第六晶体管的栅极与第五晶体管的栅极耦接，第六晶体管的漏极与第五晶体管的漏极耦接，第六晶体管的源极为反相器的第二侧端口。
26.可选地，第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管以及第六晶体管为低压nmos管，第四晶体管为高压nmos管，第五晶体管为低压pmos管。
27.根据本技术实施例的另一方面，本技术提供了一种开关电源，包括上述的电平转换电路。
28.本技术实施例提供的上述技术方案与相关技术相比具有如下优点：
29.本技术提供的电平转换电路包括：第一电平转换模块，用于在接收到第一电压域的第一电平信号的情况下，将第一电平信号转换为第二电压域的第二电平信号，其中，第一电压域与第二电压域的电源电压不同，第二电平信号与第一电平信号的电位相反；第二电平转换模块，与第一电平转换模块耦接，用于将第二电平信号转换为第二电压域的第三电平信号，其中，第三电平信号与第一电平信号的电位相同。本技术无需借助锁存电路，仅需两个简单的电平转换模块即可实现电平转换功能，即通过第一电平转换模块利用自身电路特性根据第一电压域的第一电平信号输出与该第一电平信号电位相反的第二电压域的电平信号，再由第二电平转换模块将第二电平信号转换为第二电压域中与第一电平信号电位相同的第三电平信号，从而通过简单的电路结构实现电平转换功能，解决了需要结合锁存电路才能实现电平转换的技术问题。
附图说明
30.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
31.为了更清楚地说明本技术实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而
言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为一种现有技术中提供的电平转换电路示意图；
33.图2为根据本技术实施例提供的一种可选的电平转换电路的转换示意图；
34.图3为根据本技术实施例提供的一种可选的电平转换电路示意图；
35.图4为电流镜原理示意图；
36.图5为反相器原理示意图；
37.图6为根据本技术实施例提供的一种可选的开关电源电路示意图。
具体实施方式
38.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
39.在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本技术的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。
40.相关技术中，如图1所示，存在一种电平转换电路，然而该电平转换电路需要依赖锁存功能才能实现电平转换，并且该电平转换电路需要11个mos管，包括6个低压管，5个高压管，高压管的制作工艺决定了高压管的面积会比低压管大9倍左右，导致该电平转换电路结构复杂，成本高。
41.为了解决背景技术中提及的问题，根据本技术实施例的一方面，提供了一种电平转换电路的实施例，如图2所示，该电平转换电路包括：
42.第一电平转换模块201，用于在接收到第一电压域的第一电平信号的情况下，将第一电平信号转换为第二电压域的第二电平信号，其中，第一电压域与第二电压域的电源电压不同，第二电平信号与第一电平信号的电位相反。
43.本技术实施例中，第一电压域和第二电压域的电源电压不同，如第一电压域的电源电压为5v，第二电压域的电源电压为10v。若第一电压域的高电平为4v，输出大于或等于4v的信号都用1表示，低电平为1v，输出小于或等于1v的信号都用0表示，而第二电压域的高电平为9v，输出大于或等于9v的信号都用1表示，低电平为5v，输出小于或等于5v的信号都用0表示，则在第一电压域输出的第一电平信号为高电平1(如4v)时，经过第一电平转换模块将第一电压域的高电平转换为第二电压域的低电平0(即第二电平信号，如5v)，或者在第一电压域输出的第一电平信号为低电平0(如1v)时，经过第一电平转换模块将第一电压域的低电平转换为第二电压域的高电平1(如9v)。
44.本技术实施例中，第一电平转换模块并不是直接将第一电压域的输入信号进行转换，而是连接与第二电压域相对应的高电平信号和低电平信号，由来自第一电压域的第一电平信号决定第一电平转换模块输出哪个信号，而基于第一电平转换模块的电路特性，在第一电平信号为第一电压域的高电平信号时，第一电平转换模块输出第二电压域的低电平信号，即1到0；在第一电平信号为第一电压域的低电平信号时，第一电平转换模块输出第二电压域的高电平信号，即0到1。
45.第二电平转换模块203，与第一电平转换模块耦接，用于将第二电平信号转换为第二电压域的第三电平信号，其中，第三电平信号与第一电平信号的电位相同。
46.本技术实施例中，由于第一电平转换模块将第一电压域的高电平信号转换为了第二电压域的低电平信号，或者将第一电压域的低电平信号转换为了第二电压域的高电平信号，为了实现不同电压域之间的电平转换，即在不同电压域的模块之间信号传输一致，如所需传输的信号为高电平，则在不同电压域中传输的都是高电平，因此需要将第一电平转换模块输出的信号翻转，即第二电平转换模块将第一电平转换模块输出的第二电平信号转换为第二电压域的第三电平信号，使得第三电平信号的电位与第一电平信号的电位相同，如在第二电平信号为第二电压域的低电平信号时，第三电平信号为第二电压域的高电平信号，与第一电平信号(第一电压域的高电平信号)的电位相同，最终实现1到0到1的电平转换；在第二电平信号为第二电压域的高电平信号时，第三电平信号为第二电压域的低电平信号，与第一电平信号(第一电压域的低电平信号)的电位相同，最终实现0到1到0的电平转换。
47.本技术无需借助锁存电路，仅需两个简单的电平转换模块即可实现电平转换功能，即通过第一电平转换模块利用自身电路特性根据第一电压域的第一电平信号输出与该第一电平信号电位相反的第二电压域的电平信号，再由第二电平转换模块将第二电平信号转换为第二电压域中与第一电平信号电位相同的第三电平信号，从而通过简单的电路结构实现电平转换功能，解决了需要结合锁存电路才能实现电平转换的技术问题。
48.可选地，第一电平转换模块包括：
49.电流镜，电流镜的输入端与第一电源耦接；
50.第一晶体管n1，第一晶体管的栅极与第一电压域的信号输出端耦接，第一晶体管的源极接地，第一晶体管的漏极与电流镜的接地端耦接；
51.钳位器，钳位器的第一端口与第二电源耦接，钳位器的第二端口与第一电源耦接，钳位器的第三端口与电流镜的输出端耦接。
52.本技术实施例中，如图3所示，第一晶体管为n1，电流镜由晶体管n2和n3组成，钳位器由晶体管n4和电阻r2组成。第一晶体管n1的栅极与第一电压域的信号输出端in耦接，第一晶体管n1的源极与地gnd连接，gnd用于提供第二电压域的低电平信号，第一晶体管n1的漏极与电流镜中晶体管n2和n3的源极耦接，形成连接节点j1。电流镜的输入端为晶体管n3的漏极，n3的漏极与第一电源lvcc连接。钳位器的第一端口为电阻r2的一端，电阻r2的一端与第二电源hvcc连接，钳位器的第二端口为晶体管n4的栅极，晶体管n4的栅极与第一电源lvcc连接，钳位器的第三端口为晶体管n4的源极，电流镜的输出端为晶体管n2的漏极，钳位器的第三端口与电流镜的输出端耦接即晶体管n4的源极与晶体管n2的漏极耦接。
53.可选地，第一电源的电源电压小于第二电源的电源电压，第一电源用于驱动钳位器中的晶体管导通，第二电源的电源电压与第二电压域的电源电压相同，第二电源用于产生第二电压域的高电位。
54.本技术实施例中，由于钳位器中晶体管n4的栅极一直连接第一电源lvcc，因此晶体管n4一直处于导通状态。第二电源hvcc用于产生第二电压域的高电平信号。
55.可选地，如图3所示，电流镜包括：
56.第二晶体管n2，第二晶体管n2的漏极为电流镜的输出端，第二晶体管n2的源极与
第一晶体管n的漏极耦接；
57.第三晶体管n3，第三晶体管n3的漏极为电流镜的输入端，第三晶体管n3的栅极与第二晶体管n2的栅极耦接，第三晶体管n3的源极与第一晶体管n1的漏极耦接，第三晶体管n3的漏极与第三晶体管n3的栅极连接。
58.本技术实施例中，电流镜的原理如图4所示，第二晶体管n2、第三晶体管n3工作在饱和区，第三晶体管n3是电流镜的源头，第二晶体管n2是镜像n3的电流，第三晶体管n3的电流是固定的，并且是已知的，电流为iref。根据饱和区电流公式可得：
59.i
ref
＝k*n*(w/l)
n3
*(v
gs1-v
th1
)2公式(1)
60.其中，k是常数，(w/l)
n3
是第三晶体管n3的宽长比，v
gs1
是第三晶体管n3的栅源电压，v
th1
是第三晶体管n3的阈值电压。n是并联管子的个数。
61.同理可以求出第二晶体管n2的漏端电流，如公式(2)
62.i
out
＝k*m*(w/l)
n2
*(v
gs2-v
th2
)2公式(2)
63.其中k为常数，(w/l)
n2
是第二晶体管n2的宽长比，v
gs2
是第二晶体管n2的栅源电压，v
th2
是第二晶体管n2的阈值电压，m是n2并联管子的个数。第三晶体管n3、第二晶体管n2的栅端是连在一起的，所以两个mos管的栅源电压相等，阈值电压也是相等的。在设计电流镜时将电流镜的宽长比设为相同大小，只是并联的管子的个数不同。将公式(1)公式(2)相除可以得到公式(3)
64.i
out
＝(m/n)*i
ref
公式(3)
65.从公式(3)可以看出电流镜相当于将i
ref
复制了(m/n)倍。
66.可选地，如图3所示，第三晶体管n3的漏极与第一电源lvcc之间还串联有第一电阻r1，第一电阻r1用于产生电流镜的驱动电流。
67.可选地，如图3所示，钳位器包括：
68.第二电阻r2，第二电阻r2的一端为钳位器的第一端口；
69.第四晶体管n4，第四晶体管n4的漏极与第二电阻的另一端耦接，第四晶体管n4的栅极为钳位器的第二端口，第四晶体管n4的源极为钳位器的第三端口。
70.可选地，第二电平转换模块包括：
71.反相器，反相器的第一侧端口与第二电源耦接，反相器的第二侧端口与参考电压端口耦接，参考电压端口用于产生第二电压域的低电位，反相器的输入端分别与第二晶体管的漏极、第四晶体管的源极耦接，反相器的输出端与第二电压域的输入端耦接。
72.可选地，反相器包括：
73.第五晶体管p5，第五晶体管p5的源极为反相器的第一侧端口，第五晶体管p5的栅极为反相器的输入端，第五晶体管p5的漏极为反相器的输出端；
74.第六晶体管n6，第六晶体管n6的栅极与第五晶体管p5的栅极耦接，第六晶体管n6的漏极与第五晶体管p5的漏极耦接，第六晶体管n6的源极为反相器的第二侧端口。
75.本技术实施例中，第五晶体管p5的源极与第二电源hvcc耦接，用于在第五晶体管p5导通时，将反相器输出端的电位拉高至hvcc电位，即第二电压域的高电平。第六晶体管n6的源极与参考电压端口sw耦接，参考电压端口sw用于产生第二电压域的低电位，用于在第六晶体管n6导通时，将反相器输出端的电位拉低至sw电位，即第二电压域的低电平。第五晶体管p5的栅极、第六晶体管n6的栅极均作为反相器的输入端，分别与第二晶体管n2的漏极、
第四晶体管n4的源极耦接，形成连接节点j2，第五晶体管p5的漏极和第六晶体管n6的漏极均为反相器的输出端，用于在各自导通时，输出相应的信号。
76.反相器的原理如图5所示，首先在设计上会调节pmos和nmos的宽长比，使得翻转电压在(vcc-gnd)/2处，即当输入电压vin大于(vcc-gnd)/2时vout等于gnd，当vin小于(vcc-gnd)/2时vout等于vcc。具体地，当vin小于(vcc-gnd)/2时，pmos管处于导通状态，而nmos管处于关闭状态，所以vout就被拉到vcc电位。当vin大于(vcc-gnd)/2时，pmos管处于关闭状态，而nmos管处于导通状态，所以vout就被拉到gnd电位。
77.可选地，钳位器使得j2节点的电压不会超过lvcc电位，用来保护第五晶体管p5、第六晶体管n6构成的反相器，防止电压过高导致第五晶体管p5、第六晶体管n6的栅极击穿。
78.可选地，第一晶体管n1、第二晶体管n2、第三晶体管n3以及第六晶体管n6为低压nmos管，第四晶体管n4为高压nmos管，第五晶体管p5为低压pmos管。
79.本技术实施例中，实现电平转换电路只需要6个晶体管2个电阻，且从应用类型上看只需要5个低压管1个高压管，而图1所示现有技术则需要11个晶体管，其中6个低压管，5个高压管。由于高压管和低压管的制作工艺不同，高压mos管面积为8008um2，低压mos管面积为880um2，高压mos管面积是低压mos的9倍左右，因此采用本技术技术方案可以基于更加简单的结构、更低的成本实现电平转换电路，且无需借助锁存电路，解决了需要结合锁存电路才能实现电平转换的技术问题。
80.下面对本技术提供的电平转换电路的工作流程进行说明：
81.当第一晶体管n1的栅极接收到第一电压域的低电位电平时，第一晶体管n1截止，第二晶体管n2和第三晶体管n3组成的电流镜关闭，第四晶体管n4受第一电源驱动导通，第四晶体管n4的源极电位被第二电阻r2上拉至第二电压域的高电位，第五晶体管p5截止，第六晶体管n6导通，第六晶体管n6的漏极电位被拉低至第二电压域的低电位，从而输出第二电压域的低电位电平；
82.当第一晶体管n1的栅极接收到第一电压域的高电位电平时，第一晶体管n1导通，第二晶体管n2和第三晶体管n3组成的电流镜开启，第二晶体管n2的漏极电位被下拉至第二电压域的低电位，第五晶体管p5导通，第六晶体管n6截止，第五晶体管p5的漏极电位被上拉至第二电压域的高电位，输出第二电压域的高电位电平。
83.根据本技术实施例的另一方面，本技术提供了一种开关电源，包括上述的电平转换电路。
84.本技术实施例中，如图6所示，开关电源是将输入电压vin稳定到vout，本专利中的开关电源为buck拓扑是降压功能，输出额定电压为vref*(r1 r2)/r2。当vin开始上电，输出电压初始为0，那么反馈电阻r1、r2的反馈电压v
fb
也为0，误差放大器a1将v
fb
与vref的误差进行放大，和固定频率三角波比较输出高电平经过rs锁存器和level shfter(电平转换电路)传递，使得n1管子打开，n2管子关闭，将会通过n1和l1给电容c1充电，vout开始上升，当vout大于vref*(r1 r2)/r2时，反馈电压v
fb
将会大于vref，误差放大器将v
fb
与vref的误差进行放大，和固定频率三角波比较输出高低平经过rs锁存器和level shfter传递，使得n1管子关闭，n2管子打开，将会通过n2和l1给电容c1放电，以此反复开关，最后输出稳定在vref*(r1 r2)/r2。
85.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申
请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。