双向多电平转换电路的制作方法

1.本发明涉及电子电路领域，特别是涉及一种用于i2c、smi和pmbus等开漏结构通信总线双向多电平转换电路。


背景技术：

2.电子行业的飞速发展，更新换代也比较快，很多电子产品都往低功耗的方向发展，所以部分芯片的io电平越做越低，这就导致不同电平电压的芯片共存的现象，当不同的电平电压相互通信时就需要进行电平转换电路。
3.当i2c、smi和pmbus等总线进行双向电平转换时，基于mosfet的转换芯片是比较常见的方案，参考图1所示。当其中一边为低电平时，内部的mosfet会导通，另外一边的就会被同样拉低；当两边都是高电平时，mosfet不导通，电平电压由其上拉电压决定。当电子系统复杂时，系统内就会有很多个电平电压的总线需要通信，或者相同电压但在不同电源轨间需要有一定的隔离度时，就需要用到多个转换芯片进行转换，参考图2所示。
4.当多个转换芯片一起工作时就会带来一些问题，当其中一个输出低电平时，各个转换芯片对应的mosfet都会导通，那么所有的上拉电阻就相当于并联在一起上拉到某个电压，那么输出低电平的io的灌电流就会增大，若已经增大到极限，低电平的电压就会抬升，当这个电路的v
ol
比终端设备的vilmax大时，则会导致通信失败。而此时现有技术的解决方案是把上拉电阻增大，但是总线在pcb上是有寄生电容的，信号由低变高时，mosfet变为不导通，电容的充电只能靠上拉的电压源，因为上拉电阻变大了，充电就会变慢，图3所示信号波形就会变成如图4所示。这种波形的信号，信号完整性上可能不满足要求，即使满足，也只能在在低速的时候运行，当总线速率要变高就不满足要求了，限制了总线的最大通信速率


技术实现要素：

5.在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念,该简化形式的概念均为本领域现有技术简化，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
6.本发明要解决的技术问题是提供一种用于多个转换芯片(及i2c、smi和pmbus等)开漏结构的通信总线，既不会导致低电平抬升，又不会导致上升沿过缓，且能满足较高的通信速率要求的双向多电平转换电路。
7.为解决上述技术问题，本发明提供的双向多电平转换电路，其特征在于，包括：
8.第一电阻r1，其第一端连接通信链路信号scl，其第二端连接供电电压vcc；
9.第二电阻r2，其第一端连接通信链路信号scl，其经过第二开关器件t2连接供电电压vcc；
10.第五电阻r5，其第一端连接第三开关器件t3控制端，其第二端连接在第七电阻r7和第一开关器件t1之间；
11.第六电阻r6，其第一端连接第三开关器件t3控制端，其第二端连接供电电压vcc；
12.第七电阻r7，其经第一开关器件t1连接地gnd；
13.第一开关器件t1，其控制端经第三电阻r3连接通信链路信号scl；
14.第二开关器件t2，其控制端经第三开关器件t3连接供电电压vcc，其控制端经第七电阻r7连接第一开关器件t1；
15.其中，第五电阻r5阻值大于等于第七电阻r7阻值，第二开关器件t2是否导通决定第二电阻r2是否工作，第二开关器件t2和第三开关器件t3是相同器件。
16.可选择的，进一步改进所述的双向多电平转换电路，还包括：
17.第四电阻r4，其连接在第一开关器件t1控制端和地gnd之间；
18.可选择的，进一步改进所述的双向多电平转换电路，第二开关器件t2仅在第一开关器件t1导通且第三开关器件t3不导通时导通。
19.可选择的，进一步改进所述的双向多电平转换电路，第一开关器件t1是npn三极管，第二开关器件t2和第三开关器件t3是pnp三极管。。
20.可选择的，进一步改进所述的双向多电平转换电路，当通信链路信号scl为低电平时，通过第三电阻r3和第四电阻r4分压后第一开关器件t1基极仍为低，第一开关器件t1不导通，第二开关器件t2的基极为高电平，第二开关器件t2发射极和基极之间不能正偏，第二开关器件t2不导通，第二电阻r2不工作，此时上拉电阻为第一电阻r1；
21.当通信链路信号scl为上升沿时，当通过第三电阻r3和第四电阻r4分压的电压大于0.5v-0.9v时优选为0.7，第一开关器件t1导通，第二开关器件t2的基极为低，第二开关器件t2导通，第二电阻r2工作，此时上拉电阻为第一电阻r1和第二电阻r2并联；
22.当通信链路信号scl为高电平时，第一开关器件t1导通，第三开关器件t3导通，第二开关器件t2的基极电压就变为供电电压vcc，第二开关器件t2不导通。
23.可选择的，进一步改进所述的双向多电平转换电路，在上升沿期间，第二开关器件t2导通时间能通过改变第五电阻r5、第六电阻r6和第七电阻r7的电阻值进行调整。
24.可选择的，进一步改进所述的双向多电平转换电路，第一电阻r1取值范围为：r1≈r
pu
n 1
25.r
pu
是假设总线在不需要转换芯片时的上拉电阻，由终端设备要求和pcb上的寄生电容决定；
26.第二电阻r2取值范围为：r1//r2≈r
pu
；
27.第三电阻r3和第四电阻r4满足下述阻值关系；
[0028][0029][0030]
k为指定系数。
[0031]
可选择的，进一步改进所述的双向多电平转换电路，k的范围为1/4～2/3。
[0032]
对本发明工作原理说明如下：
[0033]
参考图5所示，一种多链路开漏结构的通信总线，在每条链路以通信链路信号scl这一端为例进行说明，第二电阻r2是否工作取决于第二开关器件t2(pnp三极管)是否导通，
而第二开关器件t2是否导通取决于第一开关器件t1(npn三极管)和第三开关器件t3(pnp三极管)的导通状态，只有当第一开关器件t1导通而第三开关器件t3不导通时，第二开关器件t2才会导通。即当通信链路信号scl在上升沿的时候，第一开关器件t1会首先导通，第一开关器件t1的集电极电压接近0v。
[0034]
由于设置r5≥r7，且第三开关器件t3的基极多一个上拉电阻r6，故在第一开关器件t1导通的瞬间第三开关器件t3的基极电压比第二开关器件t2的基极电压要高一点，故第二开关器件t2会先于第三开关器件t3导通。当通信链路信号上升沿继续上升且第三开关器件t3的寄生电容的被放电完成后，第三开关器件t3会导通。第三开关器件t3导通后第二开关器件t2的基极电压就变为vcc，即第二开关器件t2变为不导通。在上升沿期间，第二开关器件t2只会导通一小段时间，这个导通时间可以通过r5、r6和r7的电阻值进行调整。
[0035]
主要设计思路是当链路上为低电平时，如果上拉电阻太小，输出低电平的io的驱动能力就可能不足，则此时上拉电阻应该要大的，所以第二开关器件t2就应该不导通，第二电阻r2不起作用，只有第一电阻r1一个上拉电阻，第一电阻r1电阻值选择偏大一点；
[0036]
当低电平要变成高电平时，如果有第一电阻r1电阻太大，链路上的电压就会上升的太慢，如图4所示，信号完整性就不好，故此时上拉电阻要小，即通过导通第二开关器件t2,第二电阻r2工作，上拉电阻实际为第一电阻r1与第二电阻r2的并联。当链路信号稳定为高电平时，为了下次低电平能拉低，第二开关器件t2应该不导通。即第二开关器件t2在上升沿导通一小段时间，使上升沿时间减小，更快地达到高电平。
[0037]
第二开关器件t2的导通控制电路由第三电阻r3、第四电阻r4和第一开关器件t1以及第三开关器件t3组成。当scl为低电平时，通过第三电阻r3、第四电阻r4分压后第一开关器件t1基极仍为低，第一开关器件t1不导通，第二开关器件t2的基极为高电平，第二开关器件t2发射极和基极之间不能正偏，第二开关器件t2不导通，第二电阻r2不起作用，此时上拉电阻为第一电阻r1。当scl为上升沿时，当通过第三电阻r3、第四电阻r4分压的电压大于0.5v-0.9v时，第一开关器件t1导通，第二开关器件t2的基极为低，第二开关器件t2导通，第二电阻r2起作用，此时上拉电阻为第一电阻r1与第二电阻r2并联。当scl为高电平时，第一开关器件t1完全导通，第三开关器件t3也变为导通，第二开关器件t2的基极电压就变为vcc，即第二开关器件t2变为不导通。
[0038]
设总线在不需要转换芯片时的上拉电阻为r
pu
(rpu由终端设备要求和pcb上的寄生电容决定)，本发明r1取值为r1≈r
pu
(n 1)。r2取值使r1//r2≈r
pu
。第三电阻r3和第四电阻r4需满足这两个条件k值主要用来设置第一开关器件t1导通的阈值v
th
，k为指阈值设置为vcc的一半。k可根据实际情况而变大或变小，如转换器数量n比较多，此时第一电阻r1的值会变大，则k可适当变小。第二开关器件t2与第三开关器件t3要求是同样型号的pnp三极管，这样才能保证第三开关器件t3晚于第二开关器件t2导通。
[0039]
本发明提供的信号波形如图7所示，对比图3、图4所示波形，信号质量更好，低电平不会过高，上升沿不会过缓，可使通信速率更高，本发明低成本解决了多个转换芯片电路存在的技术问题。
附图说明
[0040]
本发明附图旨在示出根据本发明的特定示例性实施例中所使用的方法、结构和/或材料的一般特性，对说明书中的描述进行补充。然而，本发明附图是未按比例绘制的示意图，因而可能未能够准确反映任何所给出的实施例的精确结构或性能特点，本发明附图不应当被解释为限定或限制由根据本发明的示例性实施例所涵盖的数值或属性的范围。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
[0041]
图1是一种现有基于mosfet的转换芯片结构示意图。
[0042]
图2是另一种现有基于mosfet的转换芯片结构示意图。
[0043]
图3是现有技术波形示意图一。
[0044]
图4是现有技术波形示意图二。
[0045]
图5是本发明实施例一结构示意图。
[0046]
图6是本发明实施例二结构示意图。
[0047]
图7是本发明波形示意图。
具体实施方式
[0048]
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容充分地了解本发明的其他优点与技术效果。本发明还可以通过不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点加以应用，在没有背离发明总的设计思路下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明下述示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的具体实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性具体实施例的技术方案充分传达给本领域技术人员。
[0049]
实施例一；
[0050]
参考图5所示，本发明提供一种双向多电平转换电路，包括：
[0051]
第一电阻r1，其第一端连接通信链路信号scl，其第二端连接供电电压vcc；
[0052]
第二电阻r2，其第一端连接通信链路信号scl，其经过第二开关器件t2连接供电电压vcc；
[0053]
第五电阻r5，其第一端连接第三开关器件t3控制端，其第二端连接在第七电阻r7和第一开关器件t1之间；
[0054]
第六电阻r6，其第一端连接第三开关器件t3控制端，其第二端连接供电电压vcc；
[0055]
第七电阻r7，其经第一开关器件t1连接地gnd；
[0056]
第一开关器件t1，其控制端经第三电阻r3连接通信链路信号scl；
[0057]
第二开关器件t2，其控制端经第三开关器件t3连接供电电压vcc，其控制端经第七电阻r7连接第一开关器件t1；
[0058]
其中，第五电阻r5阻值大于等于第七电阻r7阻值，第二开关器件t2是否导通决定第二电阻r2是否工作，第二开关器件t2和第三开关器件t3是相同器件。
[0059]
实施例一；
[0060]
参考图5所示，本发明提供一种双向多电平转换电路，包括：
[0061]
第一电阻r1，其第一端连接通信链路信号scl，其第二端连接供电电压vcc；
[0062]
第二电阻r2，其第一端连接通信链路信号scl，其经过第二开关器件t2连接供电电压vcc；
[0063]
第五电阻r5，其第一端连接第三开关器件t3控制端，其第二端连接在第七电阻r7和第一开关器件t1之间；
[0064]
第六电阻r6，其第一端连接第三开关器件t3控制端，其第二端连接供电电压vcc；
[0065]
第七电阻r7，其经第一开关器件t1连接地gnd；
[0066]
第一开关器件t1，其控制端经第三电阻r3连接通信链路信号scl；
[0067]
第二开关器件t2，其控制端经第三开关器件t3连接供电电压vcc，其控制端经第七电阻r7连接第一开关器件t1；
[0068]
其中，第五电阻r5阻值大于等于第七电阻r7阻值，第二开关器件t2是否导通决定第二电阻r2是否工作，第二开关器件t2和第三开关器件t3是相同器件。
[0069]
实施例二；
[0070]
参考图6所示，本发明提供一种双向多电平转换电路，包括：
[0071]
第一电阻r1，其第一端连接通信链路信号scl，其第二端连接供电电压vcc；
[0072]
第二电阻r2，其第一端连接通信链路信号scl，其经过第二开关器件t2连接供电电压vcc；
[0073]
第四电阻r4，其连接在第一开关器件t1控制端和地gnd之间；
[0074]
第五电阻r5，其第一端连接第三开关器件t3控制端，其第二端连接在第七电阻r7和第一开关器件t1之间；
[0075]
第六电阻r6，其第一端连接第三开关器件t3控制端，其第二端连接供电电压vcc；
[0076]
第七电阻r7，其经第一开关器件t1连接地gnd；
[0077]
第一开关器件t1，其控制端经第三电阻r3连接通信链路信号scl；
[0078]
第二开关器件t2，其控制端经第三开关器件t3连接供电电压vcc，其控制端经第七电阻r7连接第一开关器件t1；
[0079]
其中，第五电阻r5阻值大于等于第七电阻r7阻值，第二开关器件t2是否导通决定第二电阻r2是否工作，第二开关器件t2和第三开关器件t3是相同器件，第二开关器件t2仅在第一开关器件t1导通且第三开关器件t3不导通时导通，第一开关器件t1是npn三极管，第二开关器件t2和第三开关器件t3是pnp三极管。
[0080]
当通信链路信号scl为低电平时，通过第三电阻r3和第四电阻r4分压后第一开关器件t1基极仍为低，第一开关器件t1不导通，第二开关器件t2的基极为高电平，第二开关器件t2发射极和基极之间不能正偏，第二开关器件t2不导通，第二电阻r2不工作，此时上拉电阻为第一电阻r1；
[0081]
当通信链路信号scl为上升沿时，当通过第三电阻r3和第四电阻r4分压的电压大于0.5v-0.9v时，第一开关器件t1导通，第二开关器件t2的基极为低，第二开关器件t2导通，第二电阻r2工作，此时上拉电阻为第一电阻r1和第二电阻r2并联；
[0082]
当通信链路信号scl为高电平时，第一开关器件t1导通，第三开关器件t3导通，第二开关器件t2的基极电压就变为供电电压vcc，第二开关器件t2不导通。
[0083]
在上升沿期间，第二开关器件t2导通时间能通过改变第五电阻r5、第六电阻r6和
第七电阻r7的电阻值进行调整。
[0084]
可选择的，第一电阻r1取值范围为：r1≈r
pu
n 1；
[0085]rpu
是假设总线在不需要转换芯片时的上拉电阻，由终端设备要求和pcb上的寄生电容决定；
[0086]
第二电阻r2取值范围为：r1//r2≈r
pu
；
[0087]
第三电阻r3和第四电阻r4满足下述阻值关系；
[0088][0089][0090]
k为指定系数，k的范围为1/4～2/3，优选为1/2。
[0091]
除非另有定义，否则这里所使用的全部术语包括技术术语和科学术语都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意思相同的意思。还将理解的是，除非这里明确定义，否则诸如在通用字典中定义的术语这类术语应当被解释为具有与它们在相关领域语境中的意思相一致的意思，而不以理想的或过于正式的含义加以解释。
[0092]
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。