CN105577167B - 极性自动转换电路及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极性自动转换电路及电子设备，电路包括输入端口、输出端口、第一导通模块和第二导通模块；输入端口分别通过第一导通模块和第二导通模块连接输出端口。本发明可实现极性的自动转换，即无论电源/通信线以哪种方式接入输入端口，输出端口的第一输出引脚和第二输出引脚分别始终输出电源/通信线的正极电位和负极电位。因此，本发明能够适应电源/通信线极性的任意连接，保证了外接器件的正常工作，同时也有效避免了对电池、电源或者外接器件造成的损伤。

Description

极性自动转换电路及电子设备

技术领域

本发明涉及电源电路、串行通信技术领域，具体涉及一种能适应电源或通信线极性的任意连接的极性自动转换电路，还涉及一种具有该极性自动转换电路的电子设备。

背景技术

目前，市面上绝大多数的电池(如锂电池、锂聚合物电池及镍氢电池等蓄电池)、其他直流电源和设备的串行数据通信的输入接线都需要严格按照正负极性来连接。一旦正负极性反接，要么外接器件得不到正常供电，要么就会对电池、电源或者外接器件造成或大或小的损伤。

因此，迫切需要一种能适应电源线或通信线极性任意连接的极性自动转换电路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能适应电源或通信线极性的任意连接的极性自动转换电路及电子设备。

根据本发明的一个方面，提供了一种极性自动转换电路，其包括输入端口、输出端口、第一导通模块和第二导通模块；所述输入端口分别通过第一导通模块和第二导通模块连接所述输出端口；

当所述输入端口的第一输入引脚和第二输入引脚分别连接电源/通信线的正极和负极时，所述第一导通模块导通，所述第二导通模块截止，所述输出端口的第一输出引脚和第二输出引脚分别输出所述电源/通信线的正极电位或负极电位；

当所述输入端口的第一输入引脚和第二输入引脚分别连接电源/通信线的负极和正极时，所述第一导通模块截止，所述第二导通模块导通，所述输出端口的第一输出引脚和第二输出引脚分别输出所述电源/通信线的正极电位和负极电位。

优选的是，所述第一导通模块包括：第一PMOS晶体管、第一NMOS晶体管、第一电阻和第三电阻；

其中，所述第一输入引脚通过所述第一电阻连接所述第一NMOS晶体管的栅极，所述第一NMOS晶体管的源极和漏极分别连接所述第二输出引脚和所述第二输入引脚；

所述第二输入引脚通过所述第三电阻连接所述第一PMOS晶体管的栅极，所述第一PMOS晶体管的源极和漏极分别连接所述第一输出引脚和所述第一输入引脚。

优选的是，所述第一导通模块还包括：第一导通状态维持模块，其用于在所述第一导通模块导通后，当所述第二输入引脚的电位保持不变，且所述第一输入引脚的电位下降到大于或者等于所述第二输入引脚的电位时，在预定的第一时间段内维持所述第一导通模块的导通状态。

优选的是，所述第一导通状态维持模块包括：第一电容、第二电容、第二电阻、第四电阻、第一二极管和第三二极管；

其中，所述第一电容和所述第二电阻分别并联在所述第一PMOS晶体管的栅极和源极的两端，所述第一PMOS晶体管的栅极连接所述第一二极管的正极，所述第一二极管的负极通过所述第三电阻连接所述第二输入引脚；

所述第二电容和所述第四电阻分别并联在所述第一NMOS晶体管的栅极和源极的两端，所述第一输入引脚通过所述第一电阻连接所述第三二极管的正极，所述第三二极管的负极连接所述第一NMOS晶体管的栅极。

优选的是，所述第二导通模块包括：第二PMOS晶体管、第二NMOS晶体管、第五电阻和第七电阻；

其中，所述第二输入引脚通过所述第五电阻连接所述第二NMOS晶体管的栅极，所述第二NMOS晶体管的源极和漏极分别连接所述第二输出引脚和所述第一输入引脚；

所述第一输入引脚通过所述第七电阻连接所述第二PMOS晶体管的栅极，所述第二PMOS晶体管的源极和漏极分别连接所述第一输出引脚和所述第二输入引脚。

优选的是，所述第二导通模块还包括：第二导通状态维持模块，其用于在所述第二导通模块导通后，当所述第一输入引脚的电位保持不变，且所述第二输入引脚的电位下降到大于或者等于所述第一输入引脚的电位时，在预定的第二时间段内维持所述第二导通模块的导通状态。

优选的是，所述第二导通状态维持模块包括：第三电容、第四电容、第六电阻、第八电阻、第二二极管和第四二极管；

其中，所述第三电容和所述第六电阻分别并联在所述第二PMOS晶体管的栅极和源极的两端，所述第二PMOS晶体管的栅极连接所述第二二极管的正极，所述第二二极管的负极通过所述第七电阻连接所述第一输入引脚；

所述第四电容和所述第八电阻分别并联在所述第二NMOS晶体管的栅极和源极的两端，所述第二输入引脚通过所述第五电阻连接所述第四二极管的正极，所述第四二极管的负极连接所述第二NMOS晶体管的栅极。

优选的是，上述极性自动转换电路还包括双向瞬态电压抑制二极管，所述双向瞬态电压抑制二极管并联在所述输入端口的第一输入引脚和第二输入引脚的两端。

根据本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，其包括包括上述极性自动转换电路。

优选的是，所述电子设备为报警系统、数码相机、摄像机、液晶监视器、汽车控制器或者空气净化器。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明可实现极性的自动转换，即无论电源/通信线以哪种方式接入输入端口，输出端口的第一输出引脚始终输出电源/通信线的正极电位，同时输出端口的第二输出引脚始终输出电源/通信线的负极电位。因此本发明能够适应电源/通信线极性的任意连接，保证了后接用电设备的正常工作，同时也有效避免了对电池、电源或者外接器件造成的损伤。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了本发明实施例极性自动转换电路的原理方框图；

图2示出了本发明实施例极性自动转换电路的一种电路结构图；

图3示出了当第一导通模块导通时图2中所示的极性自动转换电路的电流流动方向；

图4示出了当第二导通模块导通时图2中所示的极性自动转换电路的电流流动方向；

图5示出了本发明实施例极性自动转换电路的另一种电路结构图；以及

图6示出了脉冲宽度调制信号的波形示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明的目的在于提供一种能适应电源/通信线极性的任意连接的极性自动转换电路。如图1所示，是本发明实施例的极性自动转换电路的原理方框图。

参照图1，本实施例的极性自动转换电路主要包括输入端口P1、输出端口P2、第一导通模块100和第二导通模块200。输入端口P1分别通过第一导通模块100和第二导通模块200连接输出端口P2。

第一导通模块100和第二导通模块200分别包括开关元件，并且满足：当输入端口P1的第一输入引脚IN1和第二输入引脚IN2分别连接电源/通信线的正极和负极，以向第一输入引脚IN1和第二输入引脚IN2分别输入电源/通信线的正极电位和负极电位时，第一导通模块100导通，第二导通模块200截止；当输入端口P1的第一输入引脚IN1和第二输入引脚IN2分别连接电源/通信线的负极和正极，以向第一输入引脚IN1和第二输入引脚IN2分别输入电源/通信线的负极电位和正极电位时，第一导通模块100截止，第二导通模块200导通。特别地，无论第一导通模块100导通还是第二导通模块200导通，输出端口P2的第一输出引脚OUT1始终输出电源/通信线的正极电位，同时输出端口P2的第二输出引脚OUT2始终输出电源/通信线的负极电位。

应用本实施例，可实现极性的自动转换，即无论电源/通信线以哪种方式(电源/通信线的正极连接输入端口P1的第一输入引脚IN1，同时电源/通信线的负极连接输入端口P1的第二输入引脚IN2；或者电源/通信线的正极连接输入端口P1的第二输入引脚IN2，同时电源/通信线的负极连接输入端口P1的第一输入引脚IN1)接入输入端口P1，输出端口P2的第一输出引脚OUT1始终输出电源/通信线的正极电位，同时输出端口P2的第二输出引脚OUT2始终输出电源/通信线的负极电位。因此，本实施例能够适应电源/通信线极性的任意连接，保证了后接用电设备的正常工作，同时也有效避免了对电池、电源或者外接器件造成的损伤。

图2示出了本发明实施例极性自动转换电路的一种电路结构图。参照图2，第一导通模块100包括第一PMOS晶体管Q1、第一NMOS晶体管Q2、第一电阻R1和第三电阻R3。第二导通模块200包括：第二PMOS晶体管Q3、第二NMOS晶体管Q4、第五电阻R5和第七电阻R7。

具体地，第一输入引脚IN1通过第一电阻R1连接第一NMOS晶体管Q2的栅极，第一NMOS晶体管Q2的源极和漏极分别连接第二输出引脚OUT2和第二输入引脚IN2。第二输入引脚IN2通过第三电阻R3连接第一PMOS晶体管Q1的栅极，第一PMOS晶体管Q1的源极和漏极分别连接第一输出引脚OUT1和第一输入引脚IN1。

第二输入引脚IN2通过第五电阻R5连接第二NMOS晶体管Q4的栅极，第二NMOS晶体管Q4的源极和漏极分别连接第二输出引脚OUT2和第一输入引脚IN1。第一输入引脚IN1通过第七电阻R7连接第二PMOS晶体管Q3的栅极，第二PMOS晶体管Q3的源极和漏极分别连接第一输出引脚OUT1和第二输入引脚IN2。

外部电源/通信线接入输入端口P1有以下两种方式：接线方式1：输入端口P1的第一输入引脚IN1连接电源/通信线的正极，第二输入引脚IN2连接电源/通信线的负极；接线方式2：输入端口P1的第二输入引脚IN2连接电源/通信线的正极，第一输入引脚IN1连接电源/通信线的负极。

按接线方式1接线时，第一导通模块100的第一PMOS晶体管Q1和第一NMOS晶体管Q2导通，而第二导通模块200的第二PMOS晶体管Q3和第二NMOS晶体管Q4截止。参照图3，其示出了按接线方式1接线时图2中所示的极性自动转换电路的电流流动方向。从图3中可以看出，电流从第一输入引脚IN1流出，经过第一PMOS晶体管Q1后流入输出端口P2的第一输出引脚OUT1，然后经第二输出引脚OUT2和第一NMOS晶体管Q2返回输入端口P1的第二输入引脚IN2，形成供电回路。

按接线方式2接线时，第一导通模块100的第一PMOS晶体管Q1和第一NMOS晶体管Q2截止，第二导通模块200的第二PMOS晶体管Q3和第二NMOS晶体管Q4导通。参照图4，其示出了按接线方式2接线时图2中所示的极性自动转换电路的电流流动方向。从图4中可以看出，电流从第二输入引脚IN2流出，经过第二PMOS晶体管Q3后流入输出端口P2的第一输出引脚OUT1，然后经第二输出引脚OUT2和第二NMOS晶体管Q4返回输入端口P1的第一输入引脚IN1，形成供电回路。

应用本实施例，利用四个MOS晶体管即可实现输入电源/通信线极性的自动切换，电路结构简单、可靠性高；由于选用的MOS晶体管的导通电阻极小，因此MOS晶体管的源极和漏极之间的压降很小，从而使得电路的输入电压和输出电压近似相等，也就保证了电平的无损输出。

图5示出了本发明实施例极性自动转换电路的另一种电路结构图。参照图5，极性自动转换电路的第一导通模块100在图2所示的电路基础上还包括第一导通状态维持模块，第二导通模块200在图2所示的电路基础上还包括第二导通状态维持模块。第一导通状态维持模块，其用于在第一导通模块100导通后，当第二输入引脚IN2的电位保持不变，且第一输入引脚IN1的电位下降到大于或者等于第二输入引脚IN2的电位时，在预定的第一时间段内维持第一导通模块100的导通状态。这里，第一导通状态维持模块维持第一导通模块100导通的时间(即第一时间段)取决于实际的元件参数。特别地，在第一导通模块100导通后，当保持第二输入引脚IN2的电位不变，向第一输入引脚IN1输入正向脉冲信号(例如脉冲宽度调制信号)时，第一导通状态维持模块在第一时间段内维持第一导通模块100的导通状态。

类似地，第二导通状态维持模块，其用于在第二导通模块200导通后，当第一输入引脚IN1的电位保持不变，且第二输入引脚IN2的电位下降到大于或者等于第一输入引脚IN1的电位时，在预定的第二时间段内维持第二导通模块200的导通状态。这里，第二导通状态维持模块维持第二导通模块200导通的时间(即第二时间段)取决于实际的元件参数。特别地，在第二导通模块200导通后，当保持第一输入引脚IN1的电位不变，向第二输入引脚IN2输入正向脉冲信号(例如脉冲宽度调制信号)时，第二导通状态维持模块在第二时间段内维持第二导通模块200的导通状态。

具体地，参照图5，第一导通状态维持模块包括：第一电容C1、第二电容C2、第二电阻R2、第四电阻R4、第一二极管D1和第三二极管D3。第一电容C1和第二电阻R2构成第一阻容电路301，第二电容C2和第四电阻R4构成第二阻容电路302。

其中，第一电容C1和第二电阻R2分别并联在第一PMOS晶体管Q1的栅极和源极的两端，第一PMOS晶体管Q1的栅极连接第一二极管D1的正极，第一二极管D1的负极通过第三电阻R3连接第二输入引脚IN2。第二电容C2和第四电阻R4分别并联在第一NMOS晶体管Q2的栅极和源极的两端，第一输入引脚IN1通过第一电阻R1连接第三二极管D3的正极，第三二极管D3的负极连接第一NMOS晶体管Q2的栅极。

第二导通状态维持模块包括：第三电容C3、第四电容C4、第六电阻R6、第八电阻R8、第二二极管D2和第四二极管D4。第三电容C3和第六电阻R6构成第三阻容电路303，第四电容C4和第八电阻R8构成第四阻容电路304。

其中，第三电容C3和第六电阻R6分别并联在第二PMOS晶体管Q3的栅极和源极的两端，第二PMOS晶体管Q3的栅极连接第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极通过第七电阻R7连接第一输入引脚IN1。第四电容C4和第八电阻R8分别并联在第二NMOS晶体管Q4的栅极和源极的两端，第二输入引脚IN2通过第五电阻R5连接第四二极管D4的正极，第四二极管D4的负极连接第二NMOS晶体管Q4的栅极。

应用本实施例中，通过在MOS晶体管的栅极和源极之间增加一个阻容电路(并联的电容和电阻)和一个二极管，使得在MOS晶体管导通后，当外部电源/通信线向输入端口P1输出的电平由高电平变为低电平时，电容仅能通过电阻缓慢放电，使得MOS晶体管维持导通状态，从而实现输出的快速响应以及输出与输入电压能够保持同步，输入波形与输出波形保持一致、波形无失真。

参照图5，以接线方式1为例，在第一导通模块100导通后，当保持第二输入引脚IN2的电位不变，且向第一输入引脚IN1输入的脉冲宽度调制信号(如图6所示)从V1(例如9V)下降至0V时，第一二极管D1和第三二极管D3截止，第一电容C1和第二电容C2的电荷仅能分别通过第二电阻R2和第四电阻R4泄放。因此，保证了第一PMOS晶体管Q1和第一NMOS晶体管Q2的栅极和源极之间的电压均满足晶体管的导通条件，维持了第一PMOS晶体管Q1和第一NMOS晶体管Q2的导通状态(直到由于电容储能释放而导致的栅极和源极之间电压不满足晶体管导通条件时为止)，从而使得输入波形经极性自动转换电路后的输出波形保持同步。另外，由于MOS晶体管的低导通阻抗，从而使得输入波形经极性自动转换电路后的输出波形无损。

可见，导通状态维持模块使得在脉冲宽度变化期间，输入波形无损输出，且能保持输入波形与输出波形的同步。

可以看出，本实施例设计导通状态维持模块(由阻容电路和二极管构成)，使得在输入的正极电位下降至负极电位期间，MOS晶体管始终保持导通。从而能够保证输出的快速响应与输出的波形不失真。

在本发明一优选的实施例中，极性自动转换电路还包括双向瞬态电压抑制二极管Z1，双向瞬态电压抑制二极管Z1并联在输入端口P1的第一输入引脚IN1和第二输入引脚IN2的两端。

上述任意实施例所述的极性自动转换电路可以作为一个独立的模块使用，也可以集成在产品的电路中，本发明实施例对此不做限制。

另外，本发明实施例还提供了一种具有上述任意实施例所述的极性自动转换电路。特别地，电子设备可以为报警系统(例如消防火灾检测报警系统)、数码相机、摄像机、液晶监视器、汽车控制器或者空气净化器。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种极性自动转换电路，其特征在于，包括输入端口、输出端口、第一导通模块和第二导通模块；所述输入端口分别通过第一导通模块和第二导通模块连接所述输出端口；

当所述输入端口的第一输入引脚和第二输入引脚分别连接电源/通信线的正极和负极时，所述第一导通模块导通，所述第二导通模块截止，所述输出端口的第一输出引脚和第二输出引脚分别输出所述电源/通信线的正极电位和负极电位；

当所述输入端口的第一输入引脚和第二输入引脚分别连接电源/通信线的负极和正极时，所述第一导通模块截止，所述第二导通模块导通，所述输出端口的第一输出引脚和第二输出引脚分别输出所述电源/通信线的正极电位和负极电位；

所述第一导通模块包括：第一PMOS晶体管、第一NMOS晶体管、第一电阻、第三电阻和第一导通状态维持模块；

其中，所述第一输入引脚通过所述第一电阻连接所述第一NMOS晶体管的栅极，所述第一NMOS晶体管的源极和漏极分别连接所述第二输出引脚和所述第二输入引脚；

所述第二输入引脚通过所述第三电阻连接所述第一PMOS晶体管的栅极，所述第一PMOS晶体管的源极和漏极分别连接所述第一输出引脚和所述第一输入引脚；

所述第一导通状态维持模块用于在所述第一导通模块导通后，当所述第二输入引脚的电位保持不变，且所述第一输入引脚的电位下降到大于或者等于所述第二输入引脚的电位时，在预定的第一时间段内维持所述第一导通模块的导通状态；所述第一导通状态维持模块包括：第一电容、第二电容、第二电阻、第四电阻、第一二极管和第三二极管；

其中，所述第一电容和所述第二电阻分别并联在所述第一PMOS晶体管的栅极和源极的两端，所述第一PMOS晶体管的栅极连接所述第一二极管的正极，所述第一二极管的负极通过所述第三电阻连接所述第二输入引脚；

所述第二电容和所述第四电阻分别并联在所述第一NMOS晶体管的栅极和源极的两端，所述第一输入引脚通过所述第一电阻连接所述第三二极管的正极，所述第三二极管的负极连接所述第一NMOS晶体管的栅极。

2.根据权利要求1所述的极性自动转换电路，其特征在于，所述第二导通模块包括：第二PMOS晶体管、第二NMOS晶体管、第五电阻和第七电阻；

其中，所述第二输入引脚通过所述第五电阻连接所述第二NMOS晶体管的栅极，所述第二NMOS晶体管的源极和漏极分别连接所述第二输出引脚和所述第一输入引脚；

所述第一输入引脚通过所述第七电阻连接所述第二PMOS晶体管的栅极，所述第二PMOS晶体管的源极和漏极分别连接所述第一输出引脚和所述第二输入引脚。

3.根据权利要求2所述的极性自动转换电路，其特征在于，所述第二导通模块还包括：第二导通状态维持模块，其用于在所述第二导通模块导通后，当所述第一输入引脚的电位保持不变，且所述第二输入引脚的电位下降到大于或者等于所述第一输入引脚的电位时，在预定的第二时间段内维持所述第二导通模块的导通状态。

4.根据权利要求3所述的极性自动转换电路，其特征在于，所述第二导通状态维持模块包括：第三电容、第四电容、第六电阻、第八电阻、第二二极管和第四二极管；

其中，所述第三电容和所述第六电阻分别并联在所述第二PMOS晶体管的栅极和源极的两端，所述第二PMOS晶体管的栅极连接所述第二二极管的正极，所述第二二极管的负极通过所述第七电阻连接所述第一输入引脚；

所述第四电容和所述第八电阻分别并联在所述第二NMOS晶体管的栅极和源极的两端，所述第二输入引脚通过所述第五电阻连接所述第四二极管的正极，所述第四二极管的负极连接所述第二NMOS晶体管的栅极。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的极性自动转换电路，其特征在于，还包括双向瞬态电压抑制二极管，所述双向瞬态电压抑制二极管并联在所述输入端口的第一输入引脚和第二输入引脚的两端。

6.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至5中任一项所述的极性自动转换电路。

7.根据权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备为报警系统、数码相机、摄像机、液晶监视器、汽车控制器或者空气净化器。