一种电平切换分时复用及隔离电路、方法、TWS耳机系统与流程

本发明涉及电子设备技术领域，具体涉及一种电平切换分时复用及隔离电路、应用于该电路的控制方法以及一种TWS耳机系统。

背景技术

无线耳机以其无线、轻巧的优点被广泛的应用。TWS耳机由于存在电池容量小、待机时间短的问题，一般会搭配充电盒一起使用。为了尽可能地减小耳机盒和无线耳机之间的接触接口，现有技术中存在将耳机盒和无线耳机的充电接口和载波通信、供电和通信分时复用的方案，但在耳机盒和无线耳机的接触接口复用为通信接口时，存在通信可靠性低的问题。

专利申请号为CN110769343A的发明专利公开了一种无线耳机与充电盒通信的方法、充电盒、TWS耳机及系统，但是该专利存在以下缺点：

通信电平不能转换，在接收设备电能传输电压和通信没有实现隔离，电能传输电压会进到通信接收模块，一旦电能传输电压比通信电平高，会将通信模块电路损坏。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于供电和通信的电平切换分时复用及隔离电路及方法、TWS耳机系统，其主要解决了通信电平不能转换以及传输电压和通信没有实现隔离的问题，提供了一种供电和通信电平转换分时复用及隔离电路，通过电平转换和通信隔离，实现了在传输过程中自动控制通信状态的目的，提高了充电盒和无线耳机的通信可靠性。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种电平切换分时复用及隔离电路，包括第一设备单元以及第二设备单元，所述第一设备单元与所述第二设备单元之间通过Power/TX/RX进行通信，所述第一设备单元包括处理器、第一通信电路、电平转换分时复用电路、第一电源模块，所述第一电源模块为所述第一设备单元的各个电路模块提供电源，所述处理器与所述第一通信电路连接，所述电平转换分时复用电路用于控制所述处理器发出的电平信号以切换电平工作状态；所述第二设备单元包括供电通信隔离模块、第二通信电路、第二电源模块，所述第二电源模块为所述第二设备单元的各个电路模块提供电源，所述供电通信隔离模块与所述第二通信电路连接，所述供电通信隔离模块与所述电平转换分时复用电路连接以进行供电隔离通信，从而实现VBUS和通信模块的隔离。

进一步的方案是，所述电平转换分时复用电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管，所述第一MOS管栅极接Power_ctl，所述第二MOS管栅极接comm_receive，所述第四MOS管栅极接VCC_L，所述第五MOS管栅极接VCC_H，所述第一MOS管漏极接所述第三MOS管栅极，所述第三MOS管的源极和漏极连接有第三二极管，所述第四MOS管的源极和漏极连接有第四二极管，所述第五MOS管的源极和漏极连接有第五二极管，所述第二MOS管的漏极连接有第二电阻，所述第三二极管的正极、第四二极管的正极、第二电阻分别连接至Power/TX/RX。

更进一步的方案是，所述电平转换分时复用电路还包括第一电阻、所述第二电阻、第三电阻以及第一电容，所述第一电容第一端、第一电阻第一端接VBUS，所述第一电容第二端接地，所述第一电阻第二端连接在所述第一MOS管漏极和所述第三MOS管栅极之间，所述第二电阻第一端接Power/TX/RX，所述第二电阻第二端连接至所述第二MOS管漏极，所述第三电阻第一端连接至所述第五MOS管源极以及第五二极管正极，所述第三电阻第二端接VCC_H。

更进一步的方案是，所述供电通信隔离模块包括第六MOS管、稳压二极管、第六二极管以及第七二极管，所述第六MOS管栅极与所述稳压二极管负极连接，所述第六MOS管源极接VBUS/TX/RX，所述第六MOS管漏极接VBUS，所述稳压二极管正极接地，所述第六二极管负极、第七二极管负极接VBUS/TX/RX，所述第六二极管正极接VBUS，所述第七二极管正极接TX/RX。

更进一步的方案是，所述供电通信隔离模块还包括第四电阻、第五电阻、第二电容，所述第四电阻第一端接VBUS/TX/RX，所述第四电阻第二端接VZ，所述第五电阻第一端接VCC_L，所述第五电阻第二端接TX/RX，所述第二电容第一端接VBUS，所述第二电容第二端接地。

更进一步的方案是，所述第一设备单元为充电盒，所述第二设备单元为TWS耳机。

一种电平切换分时复用及隔离电路的控制方法，所述电平切换分时复用及隔离电路是采用上述的电平切换分时复用及隔离电路，该方法包括以下步骤：当Power_ctl为高电平时，第一MOS管导通，电源VBUS和VBUS/TX/RX短接，从而实现电能从第一设备单元传输至第二设备单元，同时VBUS大于VCC_H；在电能传输过程中，第二设备单元中的VBUS/TX/TX等于第一设备单元的VBUS，第二设备单元中的VBUS大于VZ，因此功率导通，实现功率传输到第二设备单元的电源模块，同时由于第二设备单元的VBUS大于VCC_L，因此电源VBUS不会导通到TX/RX，以实现VBUS和通信模块的隔离。

进一步的方案是，当电路工作在通信模式时，Power_ctl为低电平，第一MOS管关断，电源VBUS到VBUS/TX/RX断开，以实现从功率传输模式到通信模式的切换，其中，定义第一设备单元向第二设备单元传输数据为发状态，反之为收状态。

更进一步的方案是，在发状态下，comm_receive为低电平，TX/RX的高电平为VCC_H，VCC_L小于VCC_H，由于NMOS管导通特性，在电路中传输的最大电压为GATE-VTH。Mos gate电压为VCC_L，因此VBUS/TX/RX最高电压为VCC_L-VTH，从而实现通信工程中电平从VCC_H到VCC_L域的电平转换。

一种TWS耳机系统，包括上述的电平切换分时复用及隔离电路。

由此可见，本发明提供一种供电和通信电平转换分时复用及隔离电路，电能传输和通信接口信号线只需用两根线就可以完成(一根地线，一根电能传输和通信线复用线)，实现了电能传输电压和通信模块之间的隔离，能够保证电能传输时的高电压不会进到通信模块，保证了通信模块安全。在通信时，可通过电平转换分时复用电路来控制CPU发出的电平信号以切换电平工作状态，可实现信号传输模块之间电平相互转换。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明一种电平切换分时复用及隔离电路实施例的原理图。

图2是本发明一种电平切换分时复用及隔离电路实施例中电平转换分时复用电路的电路原理图。

图3是本发明一种电平切换分时复用及隔离电路实施例中供电通信隔离模块的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种电平切换分时复用及隔离电路实施例：

参见图1，一种电平切换分时复用及隔离电路，包括第一设备单元1以及第二设备单元2，第一设备单元1与第二设备单元2之间通过Power/TX/RX进行通信，第一设备单元1包括处理器11、第一通信电路12、电平转换分时复用电路13、第一电源模块，第一电源模块为第一设备单元1的各个电路模块提供电源，处理器11与第一通信电路12连接，电平转换分时复用电路13用于控制处理器11发出的电平信号以切换电平工作状态。

第二设备单元2包括供电通信隔离模块21、第二通信电路、第二电源模块，第二电源模块为第二设备单元2的各个电路模块提供电源，供电通信隔离模块21与第二通信电路连接，供电通信隔离模块21与电平转换分时复用电路13连接以进行供电隔离通信，从而实现VBUS和通信模块的隔离。

如图2所示，电平转换分时复用电路13包括第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4、第五MOS管Q5，第一MOS管Q1栅极接Power_ctl，第二MOS管Q2栅极接comm_receive，第四MOS管Q4栅极接VCC_L，第五MOS管Q5栅极接VCC_H，第一MOS管Q1漏极接第三MOS管Q3栅极，第三MOS管Q3的源极和漏极连接有第三二极管D3，第四MOS管Q4的源极和漏极连接有第四二极管D4，第五MOS管Q5的源极和漏极连接有第五二极管D5，第二MOS管Q2的漏极连接有第二电阻R2，第三二极管D3的正极、第四二极管D4的正极、第二电阻R2分别连接至Power/TX/RX。

在本实施例中，电平转换分时复用电路13还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第一电容C1，第一电容C1第一端、第一电阻R1第一端接VBUS，第一电容C1第二端接地，第一电阻R1第二端连接在第一MOS管Q1漏极和第三MOS管Q3栅极之间，第二电阻R2第一端接Power/TX/RX，第二电阻R2第二端连接至第二MOS管Q2漏极，第三电阻R3第一端连接至第五MOS管Q5源极以及第五二极管D5正极，第三电阻R3第二端接VCC_H。

如图3所示，供电通信隔离模块21包括第六MOS管Q6、稳压二极管D8、第六二极管D6以及第七二极管D7，第六MOS管Q6栅极与稳压二极管D8负极连接，第六MOS管Q6源极接VBUS/TX/RX，第六MOS管Q6漏极接VBUS，稳压二极管D8正极接地，第六二极管D6负极、第七二极管D7负极接VBUS/TX/RX，第六二极管D6正极接VBUS，第七二极管D7正极接TX/RX。

在本实施例中，供电通信隔离模块21还包括第四电阻R4、第五电阻R5、第二电容C2，第四电阻R4第一端接VBUS/TX/RX，第四电阻R4第二端接VZ，第五电阻R5第一端接VCC_L，第五电阻R5第二端接TX/RX，第二电容C2第一端接VBUS，第二电容C2第二端接地。

在本实施例中，第一设备单元1为充电盒，第二设备单元2为TWS耳机。

由此可见，本实施例的充电盒由处理器11、第一通信电路12、电平转换分时复用电路13和电源组成；本实施例的WS耳机由供电通信隔离模块21、通信模块、电源模块组成。由处理器11控制供电和通信电平转换分时复用及隔离电路什么时候工作在电源传输模式，什么时候工作在通信模式下。

此外，采用CMOS场效应管做通信电平的电源选通，降低了成本的同时，半导体器件的使用寿命，工作可靠性都优于机械触点的继电器方案，也避免了信号模拟开关驱动能力弱的的问题。

一种电平切换分时复用及隔离电路的控制方法实施例：

本实施例提供一种电平切换分时复用及隔离电路的控制方法，本实施例的电平切换分时复用及隔离电路是采用上述的电平切换分时复用及隔离电路，该方法包括以下步骤：

当Power_ctl为高电平时，第一MOS管Q1导通，电源VBUS和VBUS/TX/RX短接，从而实现电能从第一设备单元1传输至第二设备单元2，同时VBUS大于VCC_H。可见，结合供电和通信电平转换分时复用及隔离电路，当Power_ctl为高电平时，第一MOS管Q1导通，电源VBUS和VBUS OR TX/RX短接，实现电能传输到第二设备单元2。

在电能传输过程中，第二设备单元2中的VBUS/TX/TX等于第一设备单元1的VBUS，第二设备单元2中的VBUS大于VZ，因此功率导通，实现功率传输到第二设备单元2的电源模块，同时由于第二设备单元2的VBUS大于VCC_L，因此电源VBUS不会导通到TX/RX，以实现VBUS和通信模块的隔离。可见，同时由于VBUS大于VCC_H，因此第一MOS管Q1XX不会导通，防止了VBUS倒灌到TX/RX损坏处理器11。

具体的，在功率传输模式下，在第二设备单元2中，供电通信隔离模块21的工作原理结合实例图3来说明。在第二设备单元2中，VBUS or TX/TX等于第一设备单元1的VBUS，VBUS大于VZ，因此功率导通，可以实现功率传输到电源模块。同时由于二极管单向导通特性，VBUS大于VCC_L，因此VBUS不会导通到TX/RX，从而实现VBUS和通信模块的隔离。

当电路工作在通信模式时，Power_ctl为低电平，第一MOS管Q1关断，电源VBUS到VBUS/TX/RX断开，以实现从功率传输模式到通信模式的切换，其中，定义第一设备单元1向第二设备单元2传输数据为发状态，反之为收状态。可见，在第一设备单元1中通过处理器11控制供电和通信电平转换分时复用及隔离电路工作在通信模式。当VBUS_ctl为低电平，因此第一MOS管Q1关断，VBUS到VBUS or TX/RX断开，实现了从功率传输模式到通信模式切换。其中，通信模式又分为收发两种状态，定义第一设备单元1向第二设备单元2传数据为发状态，反正为收状态。

在发状态下，comm_receive为低电平，TX/RX的高电平为VCC_H，VCC_L小于VCC_H，由于NMOS管导通特性，在电路中传输的最大电压为GATE-VTH。Mos gate电压为VCC_L，因此VBUS/TX/RX最高电压为VCC_L-VTH，从而实现通信工程中电平从VCC_H到VCC_L域的电平转换。可见，由本实施例的电平转换分时复用及隔离电路组成电源域双向切换电路，其工作原理为：在发状态下，comm_receive为低电平，TX/RX()的高电平为VCC_H，VCC_L小于VCC_H，由于NMOS管导通特性，能传输的在大电压为GATE-VTH，Mos gate电压为VCC_L，因此VBUS_TX/RX最高电压为VCC_L-VTH，因此实现了通信工程中电平从VCC_H到VCC_L域的电平转换。

本实施例还提供一种TWS耳机系统，包括上述的电平切换分时复用及隔离电路。对于本发明提供的充电盒、TWS耳机及TWS耳机系统的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。

由此可见，本发明提供一种供电和通信电平转换分时复用及隔离电路，电能传输和通信接口信号线只需用两根线就可以完成(一根地线，一根电能传输和通信线复用线)，实现了电能传输电压和通信模块之间的隔离，能够保证电能传输时的高电压不会进到通信模块，保证了通信模块安全。在通信时，可通过电平转换分时复用电路13来控制CPU发出的电平信号以切换电平工作状态，可实现信号传输模块之间电平相互转换。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。