CN101034815B - 一种低通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种系统，其中含有一个无绳电气设备，该设备包括一个电源管理控制器和一个电池组。电池组可包括一个开关网络、一个微控制器和多个电池，各个电池有一个电池电压和电流。该系统还包括至少一个有源低通滤波器，滤波器连接至电池组，用于平均电池组的电池电压和电流。本发明还提供了一种滤波方法。

Description

一种低通滤波器
技术领域
本发明公开系关于滤波器，具体为一种低通滤波器。
背景技术
低通滤波器应用广泛，其作用是允许复杂信号中的低频分量通过，滤掉高频分量。信号中频率低于截止频率的分量可以通过，而频率高于截止频率的分量则被抑制。
低通滤波器可用于无绳电气设备中，这些设备使用由多个电池组成的电池组作为电源。此类无绳电气设备包括电钻等电动工具、笔记本电脑、蜂窝电话和个人数据助理等，但不限于这些。低通滤波器在这些设备中用于去除脉宽调制(PWM)电流和电压波形中的毛刺。
因此，需要在此类无绳电气设备中集成一个截止频率低、在PWM信号频率点衰减较快(例如96dB衰减)的低通滤波器，使得电池平均电压精度达到16bit。为达到上述目标，传统方法有连续时间滤波器(continuous time filter)、非全差分拓扑结构和低阶滤波器。RC低通滤波器是一种常用的简单低阶滤波器。为了使100％纹波获得96dB衰减，需要选用100千欧的电阻和1.5微法的电容。但是，上述数值的电阻和电容使得稳定时间太长。例如，RC低通滤波器的稳定时间为10*τ，其中τ为R与C的乘积，稳定时间可能长达65秒。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种系统，该系统包括：一个无绳电气设备，其中包含电源管理控制器和电池组，电池组包括一个开关网络、一个微控制器和多个电池，各个电池有一定的电池电压和电流；至少一个有源低通滤波器，滤波器连接至电池组，用于平均电池组的电流和电压。
根据本发明的另一方面，提供一种无绳电气设备的滤波方法，该无绳电气设备的滤波方法包括：提供一个电池组，电池组包括一个开关网络、一个微控制器和多个电池，各个电池有一个电池电压和电流；将至少一个有源低通滤波器连接至电池组，滤波器用于平均电池组的电池电压和电流；使用电池组给负载供电。
附图说明
图1为使用本发明之低通滤波器的一种无绳电气设备；
图2为图1中无绳电气设备可能使用的低通滤波器；
图3为本发明公开之时钟信号时序图。
以下具体实施方式中使用例证性的实施例，本领域技术人员显然理解本发明可存在多种变更、修改和替代。因此，其涵盖广泛。
具体实施方式
以下举出之实施例可用于多种应用，在此仅用于说明本发明之精神，而非限制发明范围。
图1为使用本发明实施例之低通滤波器150的系统实施例。低通滤波器150可用于各种系统实施例中。图1中无绳电气设备100可包括电池组102，当电池组工作于供电模式时给负载104供电。电池组102可包括使用本发明实施例的低通滤波器(LPF)150。该无绳电气设备100可能为圆锯、打磨机等电动工具、笔记本电脑、蜂窝电话和个人数据助理等，但不限于上述设备。
负载104代表设备100的全部负载，可连接至电池组102的VPACK正极118和VPACK负极116。在本发明的一个实施例中，当无线电气设备100为电动工具时，负载104可能为设备100本身。电池组102在供电模式下给负载104供电，也可在充电模式下使用一个直流电源(图中未示出)充电，例如AC/DC适配器。以后也可能有其它充电方式，例如太阳能充电。电池组102可包含充放电开关124，用于控制电池组工作于供电模式和充电模式。
电池组102可包括一个或多个电池108、开关网络106、一个微控制器118以及本发明实施例之低通滤波器150。电池108可能是各种化学电池，如锂离子电池，也可能是铅酸电池、镍镉电池、锂离子聚合电池、金属氢化物镍电池、铝或其他可充电电池等，但不限于上述种类。
微控制器118可接收和执行来自电源管理控制器134的指令，这些指令表明将哪个电池连接至低通滤波器150。开关网络106可包括多个开关，这些开关响应一个或多个控制信号，产生这些信号的信号源有很多，如图中微控制器118。开关网络可每次选择电池组中的一个电池连接至低通滤波器150。同时，微控制器118也可控制充放电开关124的状态。
低通滤波器150的输出可提供给各种电路，例如其中含有模数转换器(ADC)的电池监测电路，或者电池电量量测电路。电池电量量测电路可监测电池108的剩余电量，并提供相应的指示灯给无绳电气设备100的用户。某些指示灯可能包含充电状态指示灯，以及使用或不使用CPU的电量量测电量。电量量测电路可结合一个板载处理器来计算电池的剩余电量和电量耗尽前系统可运行时间。电量量测电路可测量电池充电和放电电流的大小。还可以在集成电路中使用一个单独的ADC来测量电池电压和温度。
在电池组102中可能在VPACK正极118和VPACK负极116之间连接一个反向电流电池二极管电路，用于防止反向电流和反偏电压损坏电池组102或其它内部元件。可实现上述保护功能的元件还包括半导体二极管(比如肖特基二极管)和金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)，但不限于上述种类。
图2为本使用发明实施例的二阶低通滤波器150。可使用多个图2所示的二阶低通滤波器级联以构成一个更高阶的滤波器。例如，三个图示的低通滤波器可级联构成一个6阶滤波器。在本发明实施例中，也可使用一个临界阻尼RLC电路，例如巴特沃斯滤波器。也可以是切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器或是椭圆滤波器，但不限于上述几种。
低通滤波器150可用于多种系统，包括但不限于图1所示系统实施例。低通滤波器150可包含多个开关和电容，如图2所示。其中开关可响应时钟信号phi1和phi2工作。低通滤波器150可平均电池108输出的电压和电流。
低通滤波器150可在输入端202和204接收一个100％纹波的方波输入信号并在输出端206和208输出一个经过滤波的输出信号。低通滤波器150可以为一个更高阶的低通滤波器以使得稳定时间减小到1毫秒以下。要使得稳定时间达到上述标准，可在截止频率以上提供更高的衰减滚降(roll-off)，同时也提高了截止频率。
低通滤波器150可使用仅有电阻和电容的有源滤波方式。本发明实施例中使用的是低容差电阻和电容。可使用低噪音放大器来尽可能降低有源元件的噪音。本发明使用的外部元件可具有极好的绝对精确度，并对温度不敏感。低通滤波器150还可具有较好的输入输出隔离和负载抑制比。
低通滤波器150可使用一种开关电容滤波器来实现，通过精确匹配电容比例来提高连续时间有源滤波的精度。在此实施例中不需使用外部电容和电感。开关电容滤波器可使用晶控振荡器，或者使用改变时钟频率就能使得截止频率在较大范围内变化的滤波器。这种结构对温度变化也不敏感。也可在开关电容滤波器前面用无源RC低通滤波器来去除高频信号并消除混叠(aliasing)。
开关电容滤波器可使用运算放大积分器。在此使用的积分电容相对于输入电阻可较小。开关电容滤波器也可使用片上电容和MOS开关来模拟电阻。电容匹配使得滤波器的截止频率与外部时钟频率成正比。这样，无需改动外部电路即可通过时钟频率改变截止频率。
低通滤波器150还可含有一个全差分有源滤波器拓扑结构，如图2所示，这样可使精度提高3到4bit，例如从11bit提高到13到14bit。低通滤波器150也可具有其它特性，比如减少开关电荷注入(switching charge injection)、共模抑制和运放偏移(operational amplifier offset)。低通滤波器150也可将直流(包括非线性)精度提高到16bit。上述特性要求图2中的开关使用最小尺寸的CMOS开关。这些开关可以是同样尺寸的PMOS或NMOS开关以消除电荷注入效应。可适当延迟时钟相位(phi1和phi2)并适当连接衬底电容来尽量降低电荷注入引起的偏移。图3为二阶低通滤波器的phi1和phi2信号的时序图。phi1和phi2对应图2中的开关。
低通滤波器150还具有以下特性：可控制的和可平滑的时钟相位的时钟沿可以降低时钟对信号路径的电容耦合和电荷注入效应。电荷注入会在开关晶体管驱动的电容两端电势差里引入误差电压。在某些可能的场合，低通滤波器150的开关数量可通过压力开关(smashing switch)来控制，以降低电荷注入。
本发明的另一实施例为一种电器设备的滤波方法。该方法包括提供一个电池组102，电池组102包括开关网络106、微控制器118和多个电池108，各个电池有一定的电压和电流。低通滤波器150可连接至电池组用于平均电池电压和电流。电池组可给负载供电。该方法还可包括给电池组充电，并使用指示器表明电池的剩余电量。低通滤波器150可多个级联以构成一个高阶滤波器，低通滤波器150可包括多个开关和电容。根据此方法，低通滤波器150可接收一个100％纹波的方波输入信号并输出一个经过滤波的输出信号。
在此使用之措辞和表达均为说明性，而非用于限制发明范围。因此，本说明书中图示和讨论的实施例，其等同物(及其部分等同物)都属于本发明的范围。应该承认，在权利要求书的范围内可能存在多种修改。也可存在其它方面的修改、变更和替代。权利要求书旨在涵盖所有实施例。

Claims (16)

1.一种系统，包括：
一个无绳电气设备，其中包含电源管理控制器和电池组，电池组包括一个开关网络、一个微控制器和多个电池，各个电池有一定的电池电压和电流；
至少一个有源低通滤波器，其含有一个全差分有源滤波器拓扑结构，该有源低通滤波器连接至电池组，用于平均电池组的电流和电压；
其中该全差分有源滤波器拓扑结构包括多个第一组开关和多个第二组开关，该第一组开关响应第一时钟信号工作，该第二组开关响应第二时钟信号工作，其中第一时钟信号和第二时钟信号在开和关状态之间互补交替，以及在每个时钟周期内，有至少一个如下时间段：在该时间段内第一和第二时钟信号都处于关状态；
所述微控制器接收和执行来自电源管理控制器的指令；
并根据所述指令通过所述开关网络选择将所述电池组中的哪个电池连接至所述有源低通滤波器。
2.如权利要求1所述之系统，其特征在于，所述电池组包括锂离子电池。
3.如权利要求1所述之系统，其特征在于，所述开关网络包括多个开关，开关响应来自微控制器的一个或多个控制信号工作。
4.如权利要求1所述之系统，其特征在于，所述多个有源低通滤波器可级联以构成一个更高阶的滤波器。
5.如权利要求4所述之系统，其特征在于，所述更高阶的滤波器其稳定时间小于1毫秒。
6.如权利要求1所述之系统，其特征在于，其中的一个或多个有源低通滤波器接收一个100％纹波的方波输入信号并输出一个经过滤波的输出信号。
7.如权利要求1所述之系统，其特征在于，包括3个有源低通滤波器，3个滤波器级联构成一个6阶滤波器。
8.如权利要求1所述之系统，其特征在于，其中的一个或多个低通滤波器为开关电容滤波器。
9.如权利要求1所述之系统，其特征在于，所述无绳电气设备为以下设备中的一种：电钻、电锯、打磨机、笔记本电脑、蜂窝电话和个人数据助理。
10.一种无绳电气设备的滤波方法，其特征在于，包括：
提供一个电池组，电池组包括一个开关网络、一个微控制器和多个电池，各个电池有一个电池电压和电流；
将至少一个有源低通滤波器连接至电池组，所述有源低通滤波器含有一个全差分有源滤波器拓扑结构，该有源低通滤波器用于平均电池组的电池电压和电流；其中该全差分有源滤波器拓扑结构包括多个第一组开关和多个第二组开关，该第一组开关响应第一时钟信号工作，该第二组开关响应第二时钟信号工作，其中第一时钟信号和第二时钟信号在开和关状态之间互补交替，以及在每个时钟周期内，有至少一个如下时间段：在该时间段内第一和第二时钟信号都处于关状态；
使用电池组给负载供电；其中，所述方法还包括：
通过所述微控制器接收和执行来自电源管理控制器的指令，
并根据所述指令通过所述开关网络选择所述电池组中的哪个电池连接至所述有源低通滤波器。
11.如权利要求10所述之滤波方法，其特征在于，所述滤波方法还包括给电池组充电。
12.如权利要求10所述之滤波方法，其特征在于，所述滤波方法还包括显示多个电池的剩余电量。
13.如权利要求10所述之滤波方法，其特征在于，所述滤波方法还包括将至少一个有源低通滤波器级联以构成更高阶的滤波器。
14.如权利要求13所述之滤波方法，其特征在于，所述更高阶的滤波器稳定时间小于1毫秒。
15.如权利要求10所述之滤波方法，其特征在于，可配置其中的一个或多个有源低通滤波器接收一个方波输入信号并输出一个经过滤波的输出信号。
16.如权利要求10所述之滤波方法，其特征在于，其中的一个或多个有源低通滤波器为开关电容滤波器。
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