CN115276642A - 具有电平转换器的光耦合器电路 - Google Patents

Abstract

一种光耦合器电路包括将信号由第一端向第二端传输的第一方向路径和将信号由第二端向第一端传输的第二方向路径。第一方向路径包括：第一电平转换器、第一光耦合器和第二电平转换器。第一电平转换器接收在第一端上的第一输入信号，将第一输入信号的电压电平转换到相对于第一功率域中的第一地电平的第一转换电压电平，以提供第一转换信号。第一光耦合器接收第一转换信号，响应于第一转换信号而产生第一光耦合器信号。第二电平转换器接收第一光耦合器信号，将第一光耦合器信号的电压电平转换到相对于第二功率域中的第二地电平的第二转换电压电平，以在第二端上提供第二转换信号。

Description

具有电平转换器的光耦合器电路

技术领域

本发明涉及一种具有电平转换器的光耦合器电路。具体地，本发明涉及一种用于双向通信总线的具有电平转换器的双向光耦合器电路。

背景技术

通信总线在装置之间进行通信。在没有公共接地的应用中，隔离通信总线被用来隔离高电压或者电磁干扰(Electro-magnetic interference，EMI)的传导骚扰(Conductedradiation，conducted emission)。在隔离通信总线中可以实施光耦合器电路，来将信号从具有第一电压水平的第一域传递到具有第二对应电压水平的第二域。光耦合器电路由来自所耦合的通信总线的信号驱动，以及在其另一侧提供信号。通常地，光耦合器电路在给定电压范围下工作，例如3.3V左右的电压，而在通信总线上的信号具有变化的电压，例如从1.2V到3.3V，使得光耦合器电路的运行出现困难。例如，光耦合器电路的响应变慢。在高速通信总线中，例如在串行调试(serial wire debug，SWD)总线中信号速率可以高达10Mbps，具有慢响应速度的光耦合器电路使信号速率大为降低。

发明内容

本发明内容被提供以介绍以下具体实施方式部分详述的概念中经选择的简化部分。本发明内容并不意欲确定权利要求中内容的关键或必要特征，亦不意欲使其限制权利要求的范围。

根据一种实施方式，一种光耦合器电路包括配置为将信号由第一端向第二端传输的第一方向路径和配置为将信号由第二端向第一端传输的第二方向路径，其中第一方向路径包括：

第一电平转换器，配置为接收在第一端上的第一输入信号，以及将第一输入信号的电压电平转换到相对于第一功率域中的第一地电平的第一转换电压电平，以提供第一转换信号；

第一光耦合器，配置为接收第一转换信号，以及响应于第一转换信号而产生第一光耦合器信号；以及

第二电平转换器，配置为接收第一光耦合器信号，以及将第一光耦合器信号的电压电平转换到相对于第二功率域中的第二地电平的第二转换电压电平，以在第二端上提供第二转换信号。

在一个或多个实施方式中，第一光耦合器的输入端连接到供电电源，供电电源具有相对于第一地电平的第一转换电压电平。

在一个或多个实施方式中，第一转换电压电平是相对于第一地电平的5V。

在一个或多个实施方式中，第一光耦合器信号的电压电平是相对于第二地电平的5V。

在一个或多个实施方式中，第一方向路径进一步包括第一输出电路，第一输出电路连接在第二电平转换器和第二端之间，其中第一输出电路配置为设置第二端上的默认电压电平。

在一个或多个实施方式中，第一输出电路包括：

串联连接在供电电源和地之间的第一电阻和第二电阻，供电电源具有第二端电压电平，地具有在第二功率域中的第二地电平，其中第一电阻和第二电阻之间的第一节点从第二电平转换器接收第二转换信号；以及

第一晶体管，具有连接到第一电阻与第二电阻之间的第一节点的控制端、连接到地的第一电流端、以及通过第三电阻和第四电阻而连接到具有第二端电压电平的供电电源的第二电流端，其中第三电阻和第四电阻之间的第二节点连接到第二端。

在一个或多个实施方式中，第二方向路径包括：

第三电平转换器，配置为接收在第二端上的第二输入信号，以及将第二输入信号的电压电平转换到相对于第二功率域中的第二地电平的第三转换电压电平，以提供第三转换信号；

第二光耦合器，配置为接收第三转换信号，以及响应于第三转换信号而产生第二光耦合器信号；以及

第四电平转换器，配置为接收第二光耦合器信号，以及将第二光耦合器信号的电压电平转换到相对于第一功率域中的第一地电平的第四转换电压电平，以在第一端上提供第四转换信号。

在一个或多个实施方式中，第二光耦合器的输入端连接到具有第三转换电压电平的供电电源。

在一个或多个实施方式中，第三转换电压电平是相对于第二地电平的5V。

在一个或多个实施方式中，第二光耦合器电路的电压电平是相对于第一地电平的5V。

在一个或多个实施方式中，第二方向路径进一步包括第二输出电路，第二输出电路连接在第四电平转换器和第一端之间，其中第二输出电路配置为设置第一端上的默认电压电平。

在一个或多个实施方式中，第二输出电路包括：

串联连接在供电电源和地之间的第五电阻和第六电阻，供电电源具有第一端电压电平，地具有在第一功率域中的第一地电平，其中第五电阻和第六电阻之间的第三节点从第四电平转换器接收第四转换信号；以及

第二晶体管，具有连接到第五电阻和第六电阻之间的第三节点的控制端、连接到地的第三电流端、以及通过第七电阻和第八电阻而连接到具有第一端电压电平的供电电源的第四电流端，其中第七电阻和第八电阻之间的第四节点连接到第一端。

根据一种实施方式，一种双向光耦合器电路，配置为在第一端和第二端之间传递信号，其中第一端配置有第一功率域中的第一电压电平和第一地电平，第二端配置有第二功率域中的第二电压电平和第二地电平。双向光耦合器电路包括：

连接到第一端的第一电平转换器，配置为将第一端上的输入信号的第一电压电平转换为相对于第一地电平的中间电压电平，以作为第一转换信号；

光耦合器，具有连接到第一电平转换器的输入端，并能够以中间电压电平运行来将输入端的第一转换信号转换为在输出端的光耦合器信号；以及

连接到光耦合器的输出端的第二电平转换器，配置为将光耦合器信号转换为相对于第二地电平的第二电压电平，以作为第二端上的输出信号。

在一个或多个实施方式中，中间电压电平是5V。

在一个或多个实施方式中，双向光耦合器电路进一步包括第一电阻和第二电阻，第一电阻和第二电阻串联连接在具有第二电压电平的供电电源和具有第二地电平的地之间，配置为将第二电压电平提供为第二端上的默认电压电平，其中第一电阻和第二电阻之间的节点连接到第二电平转换器的输出端。

在一个或多个实施方式中，双向光耦合器电路进一步包括连接在第二电平转换器的输出端和第二端之间的输出电路，其中输出电路包括：

第三电阻，具有第一端和第二端；第三电阻的第一端连接到具有第二电压电平的供电电源，第三电阻的第二端连接到输出节点；

第四电阻，具有第一端和第二端，第四电阻的第一端连接到输出节点；以及

晶体管，具有第一电流端、第二电流端、以及控制端；晶体管的第一电流端连接到第四电阻的第二端，晶体管的第二电流端连接到具有第二地电平的地，晶体管的控制端连接到第二电平转换器的输出端。

在一个或多个实施方式中，双向光耦合器电路包括配置为在第一方向上传送信号的第一路径以及配置为在相反于第一方向的第二方向上传送信号的第二路径，以及其中第一路径和第二路径各包括相应的第一电平转换器、光耦合器、和第二电平转换器。

附图说明

为使本发明前述内容可以更具体的方式得以理解，本发明的进一步详细的描述可以参考实施方式而得到，其中部分由所附的图例而展示。所附图例仅展示本发明的典型实施方式，且因本发明可以具有其他相同地有效实施方式，所附图例不应理解为限制本发明的范围。附图是为便于理解而非测量本发明而绘制。对于本领域的技术人员而言，在阅读了本描述并结合所附图例，所要求的发明主题的益处将易于理解。在附图中，相似的标记数字被用来指示相似的元件，以及：

图1是根据一种实施方式的双向光耦合器电路的框图；以及

图2是根据一种实施方式的图1中的双向光耦合器电路的电路图。

具体实施方式

图1示出了根据一种实施方式的双向光耦合器电路的框图。双向光耦合器电路100包括第一方向路径102和第二方向路径104，第一方向路径102和第二方向路径104连接在第一端106和第二端108之间。如图1中的箭头所示的，第一方向路径102将信号由第一端106向第二端108传递，而第二方向路径104将信号由第二端108向第一端106传递。

第一方向路径102包括串联连接在第一端106和第二端108之间的第一电平转换器122、第一光耦合器124、第二电平转换器126和第一输出电路128。类似地，第二方向路径104包括串联连接在第二端108和第一端106之间的第三电平转换器142、第二光耦合器144、第四电平转换器146和输出电路148。大体上，第一方向路径102和第二方向路径104彼此相似地配置，以下将只描述第一方向路径102。在第一方向路径102和第二方向路径104的每一个中，对应的光耦合器124或144均提供在其输入侧和输出侧的域之间的隔离。这些域具有各自的供电电压和接地，内在地需要隔离和信号兼容。

第一电平转换器122从第一端106接收第一输入信号，第一输入信号是从第一端106向第二端108传输的。第一输入信号可具有相对于接地电平而言的1.2V、1.8V、或3.3V的特征电压，该电压水平可以随时间而变化。然而，第一光耦合器124具有5V的特征运行电压，这与第一输入信号的特征电压水平不相符。第一电平转换器122将第一输入信号的电压水平转换到使第一光耦合器124能够运行的第一转换电压水平上，例如5V，并提供第一转换信号。第一电平转换器(level shifter)122亦称为电压电平转换器(voltage leveltranslator)或者电压电平收发器(voltage level transceiver)，是一种逻辑电平转换器，其将输入信号的电压电平转换到相对于地电平的转换电压电平上。

第一光耦合器124从第一电平转换器122接收第一转换信号，并运行以产生第一光耦合器信号来作为响应。第一光耦合器124是具有输入端和输出端的器件，其将第一转换信号光学耦合为在其输出端上被提供的光耦合器信号。第一光耦合器124亦称为光隔离器，能够方便地传递有价值的信号分量并提供隔离以抑制噪声。根据本实施方式，第一光耦合器124需要的供电电压所具有的电平是输入信号已经被第一电平转换器122转换过的电平。故此，在本实施方式中，第一光耦合器124所提供的光耦合器信号具有5V的特征电压电平，而这在另一方而则与第二端108上的电压要求可能不相兼容。

第二电平转换器126连接到第一光耦合器124并接收光耦合器信号。第二电平转换器126将光耦合器信号的电压电平转换为第二转换电压电平，第二转换电压电平与第二端一侧的要求相一致。第二电平转换器126从而产生第二转换信号，并向第二端108提供。第二电平转换器126也是逻辑电平转换器，其与第一电平转换器122相似，能够将输入信号的对地电平转换为对地的转换电平。

第一输出电路128在本实施方式的光耦合器电路100中是可选的。第一输出电路128连接在第二电平转换器126和第二端108之间。第一输出电路128由第二电平转换器128的输出端接收第二转换信号，并将第二转换信号转送到第二端108，以及设置第二端108上的默认电压电平、抑制第二转换信号中的瞬时电压。

图2是根据本发明一种实施方式的双向光耦合器电路的电路图。该双向光耦合器电路200可以是图1中的双向光耦合器电路100的实现方式。根据本实施方式，双向光耦合器电路200包括第一方向路径202和第二方向路径204，用于在第一端206和第二端208之间传递信号。第一方向路径202和第二方向路径204大体上具有相似的配置，在此只描述第一方向路径202。

第一方向路径202包括串联连接在第一端206到第二端208之间的第一电平转换器222、光耦合器224、第二电平转换器226、以及输出电路228，其与图1中的第一电平转换器122、第一光耦合器124、第二电平转换器126和第一输出电路128相似地工作。具体地，第一电平转换器222和光耦合器224的输入侧连接在具有第一接地电平GND1的第一功率域中，而第二电平转换器226和光耦合器224的输出侧连接在具有第二接地电平GND2的第二功率域内。在一些实施方式中，第一接地电平GND1和第二接地电平GND2相同，而在一些其他的实施方式中，第一接地电平GND1与第二接地电平GND2不相同。如上所述，第一电平转换器222和第二电平转换器226是逻辑电平转换器，其将输入信号的“高”电压电平转换为相对于接地电平而言的不同的电压电平。例如，如果输入到第一电平转换器222的输入信号具有相对于第一接地电平GND1而言的1.8V的电压电平(记为逻辑“1”)，第一电平转换器222能够将电压电平转换为相对于第一接地电平GND1的5V的电压电平，其间有3.2V的转换。然而，如果该数字输入信号变为电压电平大约在第一接地电平GND1的数字“0”，第一电平转换器222则不会对该低电平的数字“1”进行类似的转换使其为3.2V，而是将其保持为具有低电压电平的低电平数字“0”。

输出电路228包括串联连接在具有第二端电压电平V_GPIO2的供电电源与具有接地电平GND2的地之间的第一电阻230和第二电阻232。作为示例，第二端电压电平V_GPIO2是第二端208上的默认电平，该默认电平是相对于第二端208所在的域中的接地电平GND2的。如上所述地，在实施方式中，第二端电压电平可以是1.2V、1.8V、或3.3V。第一电阻230和第二电阻232之间的第一节点240连接到第二电平转换器226的输出端，从第二电平转换器226接收第二转换信号。

输出电路228进一步包括串联连接在具有第二端电压电平V_GPIO2的供电电源与具有第二接地电平GND2的地之间的第三电阻234、第四电阻236、以及晶体管238。具体地，第三电阻234具有连接到具有第二端电压电平V_GPIO2的供电电源的第一端(上部端)，和连接到第四电阻236的第二端(下部端)。第四电阻236也具有连接到第三电阻234的下部端的第一端(上部端)，和连接到晶体管238的第二端(下部端)。晶体管238具有连接到第一电阻230和第二电阻232之间的第一节点240亦连接到第二电平转换器226的输出端的栅极端(控制端)、连接到第四电阻236的第一电流端(上部电流端)、以及接地GND2的第二电流端(下部电流端)。第三电阻234和第四电阻236之间的第二节点242(输出节点)连接到第二端208。

输出电路228的第一电阻230和第二电阻232决定第二端208上的默认电压电平，例如作为默认的低电压电平。当输入信号由第一端206传输到第二端208时，第一电平转换器222将输入信号转换到在第一功率域中相对于第一接地电平GND1的所需的电平，其适于光耦合器224的运行。光耦合器224的输出信号由第二电平转换器226转换到在第二功率域中相对于第二接地电平GND2的一个电压水平，该电压水平与第二端208上的电压电平要求相适应。例如，输入信号中的相对于第一接地电平GND1的低电平(以数字信号形式为信号“0”)使第二电平转换器226提供相对于第二接地电平GND2的低电压电平(数字“0”)，其施加到晶体管238的栅极端并将晶体管238导通，从而将第二端208上的电压电平拉低为数字“0”。在第二端208上的低电平逻辑值“0”通过第二方向路径204而向第一端206提供反馈，其与在第一方向路径202中的运行过程类似。

双向光耦合器电路200还能够有利地抑制输入信号中的瞬时电压。作为示例，如果第一端206上的输入信号经历瞬时电压干扰，第一端206上的电压水平将变得异常高。另一方面，由于路径中各元件所引入的延迟时间，通过第二方向路径204提供的反馈电压保持为低电平。在所示的实施方式中，连接到第三电阻234和晶体管238的第四电阻236具有相对较大的阻值，例如为数百欧姆并能够根据信号通信速率要求进行配置，以避免冲突。类似地，第二方向路径204中的电阻244也布置为具有相对大的阻值。由于电平转换器适于输入信号和输出信号中的大范围电压电平，例如从1.2V到5.5V，以及输出电压提供瞬时电压的抑制，实施方式中的双向光耦合器电路100和200能够支持通信速率至高达1Mbps以上至20Mbps，并可适用于广泛的通信协议，例如在隔离I2C总线、串行调试SWD总线、单线(1-wire)等。

如上所述，在图1的第二方向路径104和图2的第二方向路径204中，相似的配置对于来自第二端108或208的输入信号进行操作，将具有第二端电压电平V_GPIO2的输入信号转换到一个电压电平上，其中光耦合器144由具有该电压电平的供电电源供给并运行于其上，随后通过第二电平转换器146来将光耦合器信号转换到第一端电压电平V_GPIO1上。

在此参考了特定的所示的例子对于各种示例的实施方式进行了描述。所述示例的例子被选择为辅助本领域的技术人员来形成对于各实施方式的清晰理解并得实施。然而，可以构建为包括一个或多个实施方式的***、结构和器件的范围，以及根据一个或多个实施方式实施的方法的范围，并不为所展示的示例性例子所限制。相反地，所属技术领域的技术人员基于本说明书可以理解：可以根据各实施方式来实施出很多其他的配置、结构和方法。

应当理解的是，就于本发明在前描述中所使用的各种位置指示来说，例如顶、底、上、下，彼等指示仅是参考了相应的附图而给出，并且当器件的朝向在制造或工作中发生变化时，可以代替地具有其他位置关系。如上所述，那些位置关系只是为清楚起见而描述，并非限制。

本说明的前述描述是参考特定的实施方式和特定的附图，但本发明不应当限制于此，而应当由权利要求书所给出。所描述的各附图都是示例性的而非限制性的。在附图中，为示例的目的，各元件的尺寸可能被放大，且可能没有绘制为特定的比例尺。本说明也应当包括各元件、工作方式在容限和属性上的不连续的变换。还应当包括本发明的各种弱化实施。

本说明及权利要求书中所使用的词汇“包括”并不排除其他元件或步骤。除非特别指出，在使用单数形式如“一”、“一个”指代确定或不确定的元件时，应当包括该元件的复数。从而，词汇“包括”不应当被理解为限于在其后所列出的条目，不应当理解为不包括其他元件或步骤；描述“器件包括项目A和B”的范围不应当限制为只包括元件A和B的器件。该描述表示，就于本说明而言，只有器件的元件A和B是相关的。尽管耦合通常包括电感性的连接、连接通常意为通过例如电线的连接，然而此处所述“连接”、“耦接”、“耦合”均表示在相耦接或相连接的元件之间存在电学的联系，且不意味着其间没有中间元件。在描述晶体管及其连接时，词语栅、漏、和源与栅极、漏极、源极以及栅极端、漏极端、源极端是可互换的。

对于所属领域的技术人员而言，在不背离本发明的权利要求的范畴内可以作出多种具体变化。

Claims (10)

1.一种光耦合器电路，其特征在于，包括配置为将信号由第一端向第二端传输的第一方向路径和配置为将信号由第二端向第一端传输的第二方向路径，其中第一方向路径包括：

第一电平转换器，配置为接收在第一端上的第一输入信号，以及将第一输入信号的电压电平转换到相对于第一功率域中的第一地电平的第一转换电压电平，以提供第一转换信号；

第一光耦合器，配置为接收第一转换信号，以及响应于第一转换信号而产生第一光耦合器信号；以及

第二电平转换器，配置为接收第一光耦合器信号，以及将第一光耦合器信号的电压电平转换到相对于第二功率域中的第二地电平的第二转换电压电平，以在第二端上提供第二转换信号。

2.根据权利要求1所述的光耦合器电路，其特征在于：第一光耦合器的输入端连接到供电电源，供电电源具有相对于第一地电平的第一转换电压电平。

3.根据权利要求1所述的光耦合器电路，其特征在于：第一方向路径进一步包括第一输出电路，第一输出电路连接在第二电平转换器和第二端之间，其中第一输出电路配置为设置第二端上的默认电压电平。

4.根据权利要求3所述的光耦合器电路，其特征在于，第一输出电路包括：

串联连接在供电电源和地之间的第一电阻和第二电阻，供电电源具有第二端电压电平，地具有在第二功率域中的第二地电平，其中第一电阻和第二电阻之间的第一节点从第二电平转换器接收第二转换信号；以及

第一晶体管，具有连接到第一电阻与第二电阻之间的第一节点的控制端、连接到地的第一电流端、以及通过第三电阻和第四电阻而连接到具有第二端电压电平的供电电源的第二电流端，其中第三电阻和第四电阻之间的第二节点连接到第二端。

5.根据权利要求1所述的光耦合器电路，其特征在于，第二方向路径包括：

第三电平转换器，配置为接收在第二端上的第二输入信号，以及将第二输入信号的电压电平转换到相对于第二功率域中的第二地电平的第三转换电压电平，以提供第三转换信号；

第二光耦合器，配置为接收第三转换信号，以及响应于第三转换信号而产生第二光耦合器信号；以及

第四电平转换器，配置为接收第二光耦合器信号，以及将第二光耦合器信号的电压电平转换到相对于第一功率域中的第一地电平的第四转换电压电平，以在第一端上提供第四转换信号。

6.根据权利要求5所述的光耦合器电路，其特征在于：第二方向路径进一步包括第二输出电路，第二输出电路连接在第四电平转换器和第一端之间，其中第二输出电路配置为设置第一端上的默认电压电平。

7.根据权利要求6所述的光耦合器电路，其特征在于，第二输出电路包括：

串联连接在供电电源和地之间的第五电阻和第六电阻，供电电源具有第一端电压电平，地具有在第一功率域中的第一地电平，其中第五电阻和第六电阻之间的第三节点从第四电平转换器接收第四转换信号；以及

第二晶体管，具有连接到第五电阻和第六电阻之间的第三节点的控制端、连接到地的第三电流端、以及通过第七电阻和第八电阻而连接到具有第一端电压电平的供电电源的第四电流端，其中第七电阻和第八电阻之间的第四节点连接到第一端。

8.一种双向光耦合器电路，配置为在第一端和第二端之间传递信号，其中第一端配置有第一功率域中的第一电压电平和第一地电平，第二端配置有第二功率域中的第二电压电平和第二地电平；以及其特征在于，双向光耦合器电路包括：

连接到第一端的第一电平转换器，配置为将第一端上的输入信号的第一电压电平转换为相对于第一地电平的中间电压电平，以作为第一转换信号；

光耦合器，具有连接到第一电平转换器的输入端，并能够以中间电压电平运行来将输入端的第一转换信号转换为在输出端的光耦合器信号；以及

连接到光耦合器的输出端的第二电平转换器，配置为将光耦合器信号转换为相对于第二地电平的第二电压电平，以作为第二端上的输出信号。

9.根据权利要求8所述的双向光耦合器电路，其特征在于，进一步包括第一电阻和第二电阻，第一电阻和第二电阻串联连接在具有第二电压电平的供电电源和具有第二地电平的地之间，配置为将第二电压电平提供为第二端上的默认电压电平，其中第一电阻和第二电阻之间的节点连接到第二电平转换器的输出端。

10.根据权利要求8所述的双向光耦合器电路，其特征在于，进一步包括连接在第二电平转换器的输出端和第二端之间的输出电路，其中输出电路包括：

第三电阻，具有第一端和第二端；第三电阻的第一端连接到具有第二电压电平的供电电源，第三电阻的第二端连接到输出节点；

第四电阻，具有第一端和第二端，第四电阻的第一端连接到输出节点；以及

晶体管，具有第一电流端、第二电流端、以及控制端；晶体管的第一电流端连接到第四电阻的第二端，晶体管的第二电流端连接到具有第二地电平的地，晶体管的控制端连接到第二电平转换器的输出端。

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