专利名称：双向电压变换器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及电压变换器，更具体地说是涉及一种双向电压变换器。
电子系统采用电压变换器以与在不同的电压电平下进行工作的电子装置相连接，有时这样的电压变换器是双向的以便有利于传输数据。有些现有的双向电压变换器需要一个读/写控制线路以便控制数据通信的方向，该读/写控制线由与该双向电压变换器相连接的电子装置中的一个来控制，但是，硬件上的限制阻碍了现有的电子装置很简便地进行更新以便与读/写控制线相通信，其中现有电子装置并不包含与读/写控制线进行通信的控制电路，同样，连接器以及用于现有装置的电缆也不兼容读/写控制线路。
现有的双向电压变换器还包括数目众多的电气部件，它们需要封装在一个相对较大的电气室中。对于移动用户来讲这些大的封装室是很难贮存和携带的，另外，这些变换器必须机械地连接至电子装置，通过电缆使它们与电子装置联系在一起使用，这种电缆也许被永久性地安装至变换器封装室中，或者是与连接器相配合，该连接器与变换器室中的连接器可拆卸式地相匹配。用户常常希望携带着双向电压变换器连同它们的电子装置以待与各种场合的设备相连接，这些场合如在家庭，工作场所或是旅行中。但是，在没有有效地增加用于携带和传送该装置、变换器以及各种电缆的传输袋的尺寸的条件下，这种尺寸可观的电气室及其外延电缆使得贮存变得很困难。
因此，所需要的是一种并不应用读/写控制线的双向电压变换器，而且它只包括最少数量的电气部件以便于携带。
提供一种使用低成本的双向电压变换器，一种“现用的”部件，同样是很有效益的。
图1说明了一种采用电子装置和一双向电压变换器的电子系统；图2说明了图1中的每种电子装置所采用的输出端口的电路图3是说明图1中的双向电压变换器的逻辑示意图；图4是说明图1中的双向电压变换器的一个替换实施方案的电路示意图；图5是说明图1中的双向电压变换器的另一替换实施方案的电路示意图；图6是说明图1中双向电压变换器的再一替换实施方案的电路示意图；和图7仍然是说明图1中的双向电压变换器的再一替换实施方案的电路示意图。
双向电压变换器包括一第一端口，一第二端口和一开关电路。第一端口以第一电压电平或者是第二电压电平传输第一信号，第二端口以该第一电压电平或者是第三电压电平传输第二信号，该第二和第三电压电平是不同的，开关电路与第一端口和第二端口相连接。开关电路响应于第一电压电平下的第一信号(通过第一端口)及第三电压电平下的第二信号，以第一电压电平将第二信号传输至第二端口；该开关电路响应于第一电压电平下的第二信号(通过第二端口)及第二电压电平下的第一信号，以第一电压电平将第一信号传输至第一端口。
图1说明了应用双向电压变换器102的电子系统100，电子系统100还包括电子装置104，总线106，电子装置108，及总线110。电子装置104以第一电压电平进行工作，该第一电压电平由连接于此的电池112提供，通过总线106电子装置104与双向电压变换器102相耦连；电子装置108以第二电压电平进行工作，该第二电压电平由连接于此的电池114提供。在本图解说明的实施方案中，该第一电压电平不同于该第二电压电平，通过总线110电子装置108与双向电压变换器102相耦连，电子装置104和108中的每一个可以是许多这样的电子装置中的任意一个，这些电子装置包括蜂窝无线电话，蜂窝电话基站，陆地通讯线电话，收发两用无线电装置，寻呼机，个人数字助手，计算机，调制解调器，个人计算机存储器卡国际协会(PCMCIA)卡，用户识别模块(SIM)卡，SIM卡阅读器，智能卡、智能卡阅读器，电池充电器，或者是类似的装置，因而此处所使用的“装置”即是指这些以及它们的等同物中的每一个。
电子装置104和108包括一如图2中所示的通信驱动器200，该通信驱动器20包括晶体管202和负载电路204，晶体管202工作在一种开集式配置状态下并且包括一连接至第一输出端，VOUT的基极；一耦连至电接地的发射极；和一既与输入端，VIN相连又与第二输出端，VOUT2相连接的集电极。负载电路204包括与电阻R相串联的电源V1，电源V1以第一电压电平或是以第二电压电平进行工作，该第一电压电平由电子装置104中的电池112提供，第二电压电平由电子装置108中的电池114提供。上接电路204与VOUT2相连接。电子装置104和108的通信驱动器200的VOUT2还分别连接至总线106和110上。当电子装置104或者是108设置VOUT1至逻辑低电压电平时，负载电路204将VOUT2设置成电源V的电压电平，一逻辑高信号。通过电子装置104该逻辑高信号以第一电压电平被传输至总线106上并且通过电子装置108该逻辑高信号以第二电压电平被传输至总线110上。在VIN端，在总线106或是总线110上进行传输的该逻辑高信号分别由电子装置104或者108进行监控，当电子装置104或者是108将VOUT1设置成一逻辑高电压电平时，VOUT2由电压电平V被激励变换成地或是0V，并且一逻辑低信号分别在总线106或110上进行传输。在VIN，该逻辑低信号分别由电子装置104或者108进行监控。尽管晶体管202被示出并且被描述为一种开集式配置状态下的BJT(Bipolar Junction Transistor双极结式晶体管)，使用一种开漏极式配置的FET(FieldEffect Transistor场效应晶体管)或者是其它适当的装置，通信驱动器200能够被完全地替换掉，尽管被描述成并且被图示出配置于电子装置104和108中的负载电路204也能够完全有可能配置在双向电压变换器102中，如图3所示。
按照相兼容协议，电子装置104和108分别将逻辑高和逻辑低信号传输至总线106和110上。这种协议是众所周知的，并且是在公共传输介质中通过同时于两个方向传输信号，在信号发生冲突以后，该协议允许检测并且恢复通信信号。
通过电子装置104和108双向电压变换器102分别接收在总线106和110上传输的逻辑高和逻辑低信号，通过总线106从电子装置104中接收到的处于第一电压电平的该逻辑高信号由双向电压变换器102转换成以第二电压电平传输至总线110上的逻辑高信号。通过总线106从电子装置104中所接收到的该逻辑低信号由双向电压变换器102传输至总线110。位于总线110上的这些信号由电子装置108检测。通过总线110从电子装置108中接收到的处于第二电压电平的该逻辑高信号由双向电压变换器102转换成逻辑高信号，该逻辑高信号以第一电压电平传输于总线106上。经过总线110从电子装置108中所接收到的该逻辑低信号由双向电压变换器102传输至总线106，位于总线106上的这些信号由电子装置104检测。
双向电压变换器102，总线110，和电子装置108能够进行商业性封装以形成一个附件，如附件116，它与电子装置104一起使用。在图1中，包含有附件116的电子电路被图解说明为电子装置108并且以由电池114所提供的第二电压电平进行工作。通过总线106附件116以可拆卸的方式与电子装置104相连接，附件116可以是一汽车附件，如蜂窝无线电话的免提装置；一数据附件，如调制解调器或者是PCMCIA卡，或者是其它等同附件。
电子装置104和108中之某一个的野外作业可以由电子系统100来完成。例如，能够使用电子系统100以便通过双向电压变换器102，将从电子装置104中输出的蜂窝无线电话系统的标识和操作数据(电子序列号码(ESN)和/或号码分配模块(NAM)数据)传输至电子装置108，其中电子装置104是一种必须维护良好的蜂窝无线电话，电子装置108是一种债权人蜂窝无线电话；能够使用电子系统100以便通过双向电压变换器102，对从电子装置104中输出的那种蜂窝无线电话系统的标识和操作数据进行编程并传输至电子装置108，其中电子装置104是计算机或者是一种专用的编程箱，电子装置108是蜂窝无线电话；同样能够使用电子系统100以便通过双向电压变换器102，凭借与电子装置108的耦连来检测电子装置104的操作，其中电子装置108可以是单部件或者是整套(架)的检测设备。
双向电压变换器102的逻辑表达已在图3中作了图解说明。双向电压变换器102包括端口300和302，负载电路304和308，以及开关电路310。端口300和302分别连接至总线106和110，负载电路304和308分别连接至端口300和302，负载电路304和308包括各自的电源V1和V2，它们分别与相应的电阻R1和R2相串联，电源V1和V2分别由电子装置104和108的电池112和114来提供，其中通过总线106和110电子装置104和108与双向电压变换器102相连接。用另一种方法，电源V1和V2可以由一与电子装置104和108无关的电源提供。尽管所描述的和示出的只是双向电压变换器102的一部分，作为另一种可选择的技术方案，负载电路304也可以配置在电子装置104之中和/或负载电路308也可以配置在电子装置108之中，如图2所示。
开关电路310包括开关312和与非门314，开关312操作性地连接在端口300和302之间，开关312包括控制端313。响应于在控制端313接收一逻辑高信号，开关312闭合并且将端口300与端口302相连接；响应于在控制端313接收一逻辑低信号，开关312断开并且将端口300与端口302断开。与非门314包括与端口300和302相耦连的输入端，以及与开关312的控制端313相耦连的输出端。当一逻辑低信号出现在其一个输入端或者是在两个输入端都出现时，与非门314在其输出端产生一逻辑高信号；当逻辑高信号均出现在其两个输入端时，与非门314在其输出端产生一逻辑低信号。
在电路运行过程中，当逻辑低信号并没有出现在端口300时，负载电路304将端口300处的电压电平设置成V1，一逻辑高信号。该逻辑高信号V1经总线106传输至电子装置104。通过图2中的通信驱动器200的VIN端，电子装置104接收该逻辑高信号。当逻辑低信号并没有出现在端口302时，负载电路308将端口302处的电压电平设置成V2，另一逻辑高信号，该逻辑高电平V2经总线110传输至电子装置108，通过通信驱动器200的VIN端，电子装置108接收该逻辑高信号。端口300和302处的逻辑高信号使得与非门314开关312打开，如图3所示。当电子装置104通过通信驱动器200将端口300处的电压电平激励成逻辑低电平并且因此而传输一逻辑低信号时，与非门314关闭开关312。经过端口302和总线110该逻辑低信号被传输至电子装置108，通过通信驱动器200的VIN端，电子装置108接收该逻辑低信号。当电子装置108通过通信驱动器200将端口302处的电压电平激励成逻辑低电平并且因此传输一逻辑低信号时，与非门314关闭开关312。于是经过端口300和总线106该逻辑低信号被传输至电子装置104，通过通信驱动器200的VIN端，电子装置104接收该逻辑低信号。正如先前所述，当电子装置104和108同时将各自的端口300和302激励成低电压电平时，公共协议允许检测并且恢复数据冲突，正因为这样，通过总线106和110的线路双向电压变换器102允许电子装置104和108在一起传输数据，以便形成一单个的双向线路，而并不使用单独的电压变换器方向控制线路，如变换器读/写控制线路。
图4中图解说明的是双向电压变换器102的变换电路。开关电路310包括晶体管装置400。晶体管装置400包括晶体管402和二极管404，晶体管402包括管脚，由栅极406，漏极408，和耦合主体及源极410组成。栅极406连接至电源V3，它较好地由电源V1和V2的较低者供电。漏极408连接至端口302，源极410与端口300相连接，它较好地连接于电子装置104和108中以较低电压电平工作的那个装置。二极管404包括阳极412和阴极414，阳极412与源极410相连接，阴极414与漏极408相连接，晶体管装置400可以是N沟道增强模式类型的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，这种MOSFET包括本征二极管404，在本说明实施方案中，晶体管装置400是一个单MOSFET，它以共栅极配置方式将由端口300和302进行传输的具有各种不同最大电压值的逻辑高信号进行跨接。
参照图3正如先前所讨论的，通过负载电路304和308当逻辑高信号被分别传输至电子装置104和108时，晶体管装置400处于一种“截止”状态，在该“截止”状态，晶体管402并未导通，正如图2和3所描述的，当电子装置104将端口300处的电压电平激励成逻辑低电平，并且当端口302以逻辑高电平进行信号传输时，晶体管装置400变成“导通”。晶体管402导通并且处于饱和，因而使得端口302变成逻辑低电平。正因为这样，当逻辑低信号在端口300处进行传输时，晶体管装置400将端口302处的逻辑高信号变换成逻辑低信号。正如图2和3中所描述的当电子装置108将端口302处的电压电平激励成逻辑低电平，并且当端口300以逻辑高电平进行信号传输时，晶体管装置400变成“导通”。二极管404处于导通，并且将源极410处的电压电平向低下拉至大约0.7V。在本说明的实施方案中，晶体管402的栅极至源极的阈值电压小于或等于V3-0.7V。这样当二极管404导通时便允许晶体管402处于导通并且最终饱和，且因此将端口300激励成逻辑低电平。正因为如此，当逻辑低信号在端口302处进行传输时，晶体管装置400将端口300处的逻辑高信号变换成逻辑低信号。正如先前所建议的，通过对电子装置104和108中的负载电路304和08分别进行配置，双向电压变换器102可以缩减为一个单晶体管，使用单根电缆该单晶体管可以与总线一起进行封装，因而增加了双向电压变换器102的可携带性并且省去了对双向电压变换器102进行单独封装的需要。
如图5中所示为双向电压变换器102的另一实施方案。开关电路310采用两个晶体管装置500和502，实质上晶体管装置500和502中的每一个都与图4中的晶体管装置400相类似。晶体管装置500包括晶体管504和二极管506，晶体管504包括栅极510，漏极512，和一耦合主体以及源极514。栅极510与电源V3相连接，漏极512与晶体管装置502相连接，源极514与端口300相连接，二极管506包括阳极516和阴极518，阳极516与源极514相连接，阴极518与漏极512相连接。晶体管装置502包括晶体管520和二极管522，晶体管520包括栅极524，漏极526，和一耦合主体及源极528，栅极524与电源V3相耦连，漏极526与晶体管装置500相连接，源极528与端口302相连接，二极管522包括阳极530和阴极532，阳极530与源极528相连接，阴极532与漏极526相连接。
参照图3，正如先前所讨论的，通过负载电路304和308当逻辑高信号被分别传输至电子装置104和108时，晶体管装置500和502处于一种“截止”状态。在该“截止”状态，晶体管装置500和502并不导通，正如图2和3中所描述的，当电子装置104将端口300处的电压电平激励成逻辑低电平时，并且当端口302处于逻辑高电平时，晶体管装置500变成“导通”。晶体管504导通并且处于饱和，因而使得晶体管装置502的漏极526变成逻辑低电平。晶体管装置502的二极管522导通并且将源极528的电压电平向低下拉至大约0.7V。在本说明实施方案中，晶体管装置502的晶体管520的栅极至源极阈值电压值小于或等于V3-0.7V，这样，当二极管522导通时，便允许晶体管520处于导通并且最终饱和，且因此将端口302激励成逻辑低电平，正因为如此，当逻辑低信号在端口300处进行传输时，晶体管装置500和502将端口302处的逻辑高信号变换成逻辑低信号。
如图2和3中所描述的，当电子装置108将端口302处的电压电平激励成逻辑低电平，并且当端口300处于逻辑高电平时，晶体管装置502变成“导通”。晶体管520导通并且处于饱和，因而使得晶体管装置500的漏极512变成逻辑低电平。晶体管装置500的二极管506导通并且将源极514的电压电平向低下拉至大约0.7V。在本说明实施方案中，晶体管装置500的晶体管504的栅极到源极阈值电压值小于或等于V3-0.7V，这样，当二极管506导通时便允许晶体管504处于导通并且最终饱和，且因此将端口300激励成逻辑低电平，正因为如此，当逻辑低信号在端口302处进行传输时，晶体管装置500和502将端口300处的逻辑高信号变换成逻辑低信号。本领域技术人员将会认识到当电源V3并没有供电时图5中晶体管装置500和502的配置以及尤其是二极管506和522的配置会使得端口300与端口302隔离开来。
在图4和5中，如果双向电压变换器102是3V到5V的变换器，则电源V1，V2和V3的适当的值分别是3V，5V和3V，并且电阻R1和R2的适当值为15KΩ，可以理解电阻R1和R2的其他值也可以使用。
图6说明了双向电压变换器102可选择地可以由几个晶体管装置400，标示为600，几个具有不同电源电压的负载电路304，标示为602，相互串联来组成。几种标示为604的总线106和110与几个负载电路602相连接。几个晶体管装置600中的每一个既连接于几个负载电路602中的每两个负载电路之间，又连接于几组总线604中每两组总线之间，其中负载电路提供不同的逻辑高电平，具体地说，几个晶体管装置600中的每个晶体管装置的源极与几个负载电路602中的各一对负载电路的一个负载电路相连接，其中负载电路602提供两个逻辑高电平中的较小者。几个晶体管装置600中的每个晶体管的漏极与几个负载电路602中的每一对负载电路的一个负载电路相连接，其中负载电路602提供两个逻辑高电平中的较大者，这样的连接方式会产生一种变换器，它能与一广域阵列范围的电子装置相兼容，其中的每一个以不同的电压电平进行工作，并且通过几个总线604中的一个与变换器相连接。
图7中所示为双向电压变换器102的又一实施方案。开关电路310采用了晶体管装置700，晶体管装置700包括晶体管702。晶体管702包括栅极708，漏极710，源极712和主体714。栅极708与电源V4相连接，它最好通过与电源V1和V2中的较低者相连接而被供电。漏极710与端口300相连接，源极712与端口302相连接，在本说明实施方案中，晶体管702的栅极至源极阈值电压低于V4。晶体管702可以考虑采用这样一种MOSFET，它可以通过例如在一集成电路或者是四端器件封装中，以允许与主体714单独的连接的方式制造出。主体714接地，因而使得漏极710和源极712基本上能够一致地工作。不同于图3-6的实施方案，源极712不必与端口300和302中的一个相连接，它可由负载电路304和308上拉至V1和V2中的较大的那个，因此，漏极710可以与端口302相连接，并且源极712可与端口300相连接，晶体管装置700的制造生产出了本征二极管716和718，如图点划线所示。本征二极管716连接于主体714和漏极710之间，本征二极管718连接于主体714和源极712之间。当电源V4并未供电时，晶体管装置700将端口300与端口302隔离开，在操作过程中，如果端口300和302中的一个被激励成逻辑低电平(而当端口300和302中的另一个以逻辑高电平进行信号传输时)，晶体管装置700的晶体管702处于导通并且将端口300和302中的一个激励成逻辑低电平。
尽管双向电压变换器102的开关电路310已经实施成使用一个或是多的MOSFET装置，但本领域技术人员会认识到另外的晶体管装置，如BJT也可以使用，但是，与MOSFET装置相比较BJT需要一个相对更高的导通电流，在低电源应用中，例如3V到5V的电压变换装置中，可以预见的是使用BJT而不是MOSFET可以延迟或是完全阻止开关电路310的导通。
在图1-7中已经对双向电压变换器102作了说明，图1-7被描划为总线106和110的单根双向线路，可以认识到以上实施方案与采用用于传输这些信号的多线路总线相兼容，例如用于由摩托罗拉公司制造并出售的无线电话产品中的三线总线，对于不止一线的产品，图2-7的整个实施方案对于多线总线的每个附加通信线路都是可以重复应用的，也就是说，每个附加线路需要一个单晶体管装置和两个负载电路。
因此，可以应用双向电压变换器，它允许两个具有不相兼容的电压电平的电子装置在不使用单独的方向控制线的条件下通过一单根的双向线路来进行通信，这样亦可允许在不用对现有的电缆附加另外的线路或是对电子装置附加另外的硬件的条件下来应用双向电压变换器。双向电压变换器以低电源电平进行操作并已应用一种单线“现用的”晶体管来实现它，正因为这样，双向电压变换器的成本被降至最低，当用单根电缆将单晶体管(有或是没有负载电路)与总线一起封装时，双向电压变换器的可携带性提高了，因而省去了对双向电压变换器的封装的需要，封装箱与总线隔离开来。
权利要求
1.一种双向电压变换器，其特征在于包括一个第一端口，用于以一第一电压电平和一第二电压电平中的一个来传输一第一信号；一个第二端口，用于以所述第一电压电平和一第三电压电平中的一个来传输一第二信号，所述第三电压电平不同于所述第二电压电平；一个开关电路，操作性地连接于所述第一端口和所述第二端口，响应于所述第一电压电平下的所述第一信号及所述第三电压电平下的所述第二信号，所述开关电路以所述第一电压电平将所述第二信号传输至所述第二端口；以及响应于所述第一电压电平下的所述第二信号和所述第二电压电平下的所述第一信号，所述开关电路以所述第一电压电平将所述第一信号传输至所述第一端口。
2.一种如权利要求1所述的双向电压变换器，其特征在于所述开关电路包括一第一端子，一第二端子，和一第三端子，所述第一端子与所述第一端口相连接，所述第二端子与所述第二端口相连接，和所述第三端子与一在所述第二电压电平进行工作的第一电源相连接。
3.一种如权利要求1所述的双向电压变换器，其特征在于所述开关电路包括一FET装置。
4.一种如权利要求3所述的双向电压变换器，其特征在于所述FET装置包括一个FET，具有一个源极，一个漏极和一个栅极，所述源极与所述第一端口相连接，所述漏极与所述第二端口相连接，和所述栅极与一以所述第二电压电平进行工作的第一电源相连接。一个二极管，具有一阳极和一阴极，所述阳极与所述第一端口相连接，和所述阴极与所述第二端口相连接。
5.一种如权利要求4所述的双向电压变换器，其特征在于，所述第三电压电平大于所述第二电压电平。
6.一种如权利要求1所述的双向电压变换器，其特征在于，响应于所述第一端口的一第四电压电平，所述开关电路连接所述第一端口和所述第二端口，所述第四电压电平不小于所述第一电压电平以及不大于所述第二电压电平。
7.一种如权利要求1所述的双向电压变换器，其特征在于，所述开关电路包括一第一开关，具有一第一端子，一第二端子，和一第三端子，所述第一端子与所述第一端口相连接，以及所述第三端子与以所述第二电压电平进行工作的第一电源相耦连；和一第二开关，具有一第四端子，一第五端子，和一第六端子，所述第四端子与所述第二端口相连接，所述第五端子与所述第二端子相连接，以及所述第六端子与所述第三端子相连接。
8.一种如权利要求7所述的双向电压变换器，其特征在于，所述开关电路包括一第一二极管，具有一第七端子和一第八端子，所述第七端子与所述第一端口相连接，和所述第八端子与所述第一开关的所述第二端子相耦连；和一第二二极管，具有一第九端子和一第十端子，所述第九端子与所述第二端口相连接以及所述第十端子与所述第二开关的所述第五端子相耦连。
9.一种附件，其特征在于以第一电压电平进行工作的附件电路；一第一端口，耦连于所述附件电路以便以所述第一电压电平和一第二电压电平中的一个来传输一第一信号；一第二端口，与一电子装置相连接，所述第二端口以所述第二电压电平和一第三电压电平中的一个来传输一第二信号，所述第三电压电平不同于所述第一电压电平；和一开关电路，操作性地连接至所述第一端口和所述第二端口，响应于以所述第二电压电平下的所述第一信号以及所述第三电压电平下的所述第二信号，所述开关电路以所述第二电压电平将所述第二信号传输至所述第二端口；和响应于所述第二电压电平下的所述第二信号以及所述第一电压电平下的所述第一信号，所述开关电路以所述第二电压电平将所述第一信号传输至所述第一端口。
10.一种如权利要求9所述的附件，其特征在于还包括一以所述第一电压电平进行工作的电源；以及其特征在于所述开关电路包括一FET，该FET具有一源极，一栅极和一漏极，所述源极与所述第二端口相连接，所述漏极与所述附件电路相连接，以及所述栅极与所述电源相连接。
全文摘要
一种双向电压变换器包括第一端口,第二端口和一开关电路。该第一端口以第一电压或者是第二电压传输第一信号。该第二端口以该第一电压或者是第三电压传输第二信号。该第二和第三电压是不同的。开关电路耦连于第一端口和第二端口。响应于第一电压下的第一信号和第三电压下的第二信号,开关电路以第一电压将第二信号传输至该第二端口(302/300);响应于第一电压下的第二信号和第二电压下的第一信号,开关电路以该第一电压将该第一信号传输至该第一端口。
文档编号H02M3/04GK1177857SQ9710404
公开日1998年4月1日 申请日期1997年4月22日 优先权日1997年4月22日
发明者托马斯·R·路德维格, 理查德·恩格 申请人:摩托罗拉公司