CN102393486B - 基于时间数字转换器的锂电池电流检测电路及检测方法 - Google Patents
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Abstract
基于时间数字转换器的锂电池电流检测电路及检测方法,涉及锂电池电流检测电路及检测方法。它解决了现有锂电池电流检测电路的检测速度低、检测电路复杂的问题,本发明基于TDC的电流检测电路中的斜坡信号发生器的输出和敏感电阻两端的电压连接到充放电比较器的输入,充放电比较器的输出连接TDC转换成数字信号存入结果寄存器中,还连接到充放电标志判决电路形成充放电标志,保存到结果寄存器中,两部分结果交给MCU中的中央处理单元进行分析及电池的控制。本发明采用时间数字转换器,提高了转换精度和转换速度,从而提高了锂电池电流检测速度;并且本发明的充放电可以采用一个转换通道完成,大幅度降低了检测电路复杂性。本发明适用于锂电池电流检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂电池电流检测电路及检测方法。
背景技术
可充电式电池是可重复使用的电池,其中锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池、自放电率低环保无污染等优点,成为了便携式产品的主要电源,尤其在笔记本计算机供电方面,其优异的高能量优势得到了充分的体现。但是由于能量密度高及特有的化学特性,锂离子电池的安全性和稳定性方面也存在隐患,如过充和过高温可能会燃烧甚至导致爆炸,过放电可能造成电池本身的损坏,或者在不正常情况下突然断电对电池造成影响或损坏。所以,在智能电池系统中对充放电电流进行实时的检测非常重要。因此充放电电流检测是智能电池管理系统中的不可或缺的关键组成部分。
图1显示了一种采用微控制器(MCU)的电池组充电保护及计量智能控制电路的基本框架。电池保护及计量智能控制电路连接到电池/电池组上。通常电池智能控制系统通常包含:模拟前端(AFE)采集电池电压、为微控制器提供电源电压并接收微控制器的开关的控制命令;MOSFET开关在AFE的控制下完成充放电的控制;微控制器完成电池的智能控制和管理,其中在微控制器中包括电池电流检测电路。微控制器通过电流检测电路对电池的充、放电电流进行检测,测得的电流通过数据总线传输到微控制器中的CPU。当发现异常情况,如过流或短路,则微控制器通过AFE控制充放电开关,实现对充电或放电的实时控制。同时,MCU通过串行总线(SCL、SDA)与上位机进行通信将电池信息也传递给上位机(如笔记本)。
MCU中的电流检测电路目前主要有两种方式,其一采用嵌入式模数转换器(ADC),如图2所示,串联在回路中的敏感电阻将充放电电流转化成电压信号,然后经前置放大模块电平移位并放大,通过模数转换器转换为相应的数字量,再通过数据总线传输到CPU进行计算。为了减小电池组的内阻并降低功耗,通常选取的电阻值在毫欧量级。然而当充、放电电流在毫安量级时,转换成的电压信号在几个微伏量级,这样就需要很高精度的ADC来进行电压的转换。还有锂电池组的充放电电流的变化范围可能从几个毫安到几十个安培,其动态范围将超过104,这将要求高动态范围的模数转换器,同时模数转换器的速度又和其转换精度需要折中考虑,大大地增加了硬件的复杂性,工艺实现难度较大。
另一种传统检测电路如图3所示,它的工作方式采用电流积分方式。充放电电流通过敏感电阻转换为电压值,在控制电路的控制下,通过积分器对转换的电压进行积分并与一个电平阈值进行比较,然后通过一个控制计数器计数得到数字信号,在每一次积分结束时,将结果存入结果寄存器中,而后通过数据总线传输到CPU。此方法具有较小的硬件规模。但由于采用计数器完成对积分值的转换,造成此检测电路工作速度很低,精度不高,因此,充放电必须由两个转换通道来完成。
发明内容
本发明是为了解决现有锂电池电流检测电路的检测速度低、检测电路复杂的问题,从而提供一种基于时间数字转换器的锂电池电流检测电路及检测方法。
基于时间数字转换器的锂电池电流检测电路,它包括充电比较器、放电比较器、结果锁存器和时钟电路,它还包括电平移位电路、斜坡信号发生器、偏置及参考基准单元、充/放电标志判决电路、与门和时间数据转换器;电平移位电路的正/负电压输入端与敏感电阻的非接地端连接;所述电平移位电路的电平移位后电压信号输出端同时与充电比较器的电平移位后电压信号输入端和放电比较器的电平移位后电压信号输入端连接;偏置及参考基准单元的一号参考基准电压输出端与斜坡信号发生器的参考基准电压输入端连接;偏置及参考基准单元的二号参考基准电压输出端与电平移位电路的参考基准电压输入端连接;偏置及参考基准单元的三号参考基准电压输出端同时与充电比较器的参考基准电压输入端和放电比较器的参考基准电压输入端连接;斜坡信号发生器的正/负斜坡信号输出端同时与充电比较器的正斜坡信号输入端和放电比较器的负斜坡信号输入端连接;充电比较器的充电比较结果输出端同时与充/放电标志判决电路的充电比较结果输入端和与门的一个输入端连接;放电比较器的放电比较结果输出端与充/放电标志判决电路的放电比较结果输入端和与门的另一个输入端连接;充/放电标志判决电路的判决结果输出端与结果锁存器的判决结果输入端连接;与门的与结果输出端与时间数据转换器的与结果输入端连接;所述时间数据转换器的转换信号输出端与结果锁存器的转换信号输入端连接;时钟电路的一号时钟信号输出端CK_同时与斜坡信号发生器的一号时钟信号输入端、时间数据转换器的时钟信号输入端连接;时钟电路的二号时钟信号输出端CK与斜坡信号发生器的二号时钟信号输入端连接;时钟电路的三号时钟信号输出端与结果锁存器的时钟信号输入端连接。
斜坡信号发生器包括运算放大器A、一号PMOS管M0、电阻R、缓冲器B、二号PMOS管M1、三号PMOS管M2、四号PMOS管M3、一号NMOS管M4、二号NMOS管M5、一号开关K1、二号开关K2、三号开关K3、四号开关K4、电容C1和C2;运算放大器A的负向输入端是斜坡信号发生器3的参考基准电压输入端,运算放大器A的输出端与一号PMOS管M0的栅极连接;所述一号PMOS管M0的源极同时与运算放大器A的正向输入端、缓冲器B的输入端和电阻R的一端连接;电阻R的另一端与电源地连接;缓冲器B的输出端同时与一号开关K1的一个静端和二号开关K2的一个静端连接;一号开关K1的另一个静端同时与电容C1的一端和三号开关K3的一个静端连接;三号开关K3的另一个静端与二号NMOS管M5的漏极连接;二号NMOS管M5的栅极同时与一号NMOS管M4的栅极、三号PMOS管M2的源极、一号NMOS管M4的漏极连接;一号NMOS管M4的源极同时与电源地和二号NMOS管M5的源极连接;电容C1的另一端与电源地连接;二号开关K2的另一个静端同时与电容C2的一端、四号开关K4的一个静端连接;电容C2的另一端接电源地;一号PMOS管M0的漏极同时与二号PMOS管M1的源极、二号PMOS管M1的栅极、三号PMOS管M2的栅极、四号PMOS管M3的栅极连接;二号PMOS管M1的漏极同时与电源、三号PMOS管M2的漏极、四号PMOS管M3的漏极连接;四号PMOS管M3的源极与四号开关K4的另一个静端连接;时钟电路11的一号时钟信号输出端CK_同时与一号开关K1的动端和二号开关K2的动端连接;时钟电路11的二号时钟信号输出端CK同时与三号开关K3的动端和四号开关K4的动端连接。
基于上述电路的基于时间数字转换器的锂电池电流检测方法,它的方法为:充放电电流经过敏感电阻转换为正/负电压;电平移位电路根据偏置及参考基准单元提供的参考基准电压将该正/负电压进行电平移位;同时,斜坡信号发生器也在偏置及参考基准单元提供的参考基准电压上产生正/负的斜坡信号;充电比较器将电平移位后的电压信号与正斜坡信号进行比较,输出一路比较结果给与门;放电比较器将电平移位后的电压信号与负斜坡信号进行比较,输出一路比较结果给与门;与门根据两路输入信号获得一路结果信号,并将该路结果信号发送给时间数字转换器转换为数字量,充放电标志判决电路根据两路比较结果生成充放电标志,并存入结果锁存器,实现锂电池电流检测。
采用CPU通过查询或中断的方式结果锁存器对锂电池电流检测结果进行查询。
有益效果:本发明采用时间数字转换器,提高了转换精度和转换速度,从而提高了锂电池电流检测速度;并且本发明的充放电可以采用一个转换通道完成,大幅度降低了检测电路复杂性。
附图说明
图1是背景技术中采用MCU的电池组充电保护及计量智能控制电路连接示意图;图2是背景技术中所述的采用嵌入式模数转换器(ADC)的MCU电流检测电路连接示意图;图3是背景技术中所述的采用电流积分方式的MCU电流检测电路连接示意图;图4是本发明的电路连接示意图;图5是具体实施方式二所述的斜坡信号发生器的电路原理示意图;图6是充电比较器的输入信号连接原理示意图;图7是放电比较器的输入信号连接原理示意图;图8是当Vu=Vin时,充电比较器输出Vcom从0跳变到1的波形示意图;图9是当Vd=Vin时,放电比较器输出Vcom从0跳变到1的波形示意图;图10是具体实施方式一中所述经典的时间数字转换器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式,基于时间数字转换器的锂电池电流检测电路,它包括充电比较器4、放电比较器5、结果锁存器10和时钟电路11,它还包括电平移位电路2、斜坡信号发生器3、偏置及参考基准单元6、充/放电标志判决电路7、与门8和时间数字转换器9;电平移位电路2的正/负电压输入端与敏感电阻1的非接地端连接;所述电平移位电路2的电平移位后电压信号输出端同时与充电比较器4的电平移位后电压信号输入端和放电比较器5的电平移位后电压信号输入端连接;偏置及参考基准单元6的一号参考基准电压输出端与斜坡信号发生器3的参考基准电压输入端连接;偏置及参考基准单元6的二号参考基准电压输出端与电平移位电路2的参考基准电压输入端连接;偏置及参考基准单元6的三号参考基准电压输出端同时与充电比较器4的参考基准电压输入端和放电比较器5的参考基准电压输入端连接;斜坡信号发生器3的正/负斜坡信号输出端同时与充电比较器4的正斜坡信号输入端和放电比较器5的负斜坡信号输入端连接;充电比较器4的充电比较结果输出端同时与充/放电标志判决电路7的充电比较结果输入端和与门8的一个输入端连接;放电比较器5的放电比较结果输出端与充/放电标志判决电路7的放电比较结果输入端和与门8的另一个输入端连接;充/放电标志判决电路7的判决结果输出端与结果锁存器10的判决结果输入端连接;与门8的与结果输出端与时间数据转换器9的与结果输入端连接;所述时间数据转换器9的转换信号输出端与结果锁存器10的转换信号输入端连接;时钟电路11的一号时钟信号输出端CK_同时与斜坡信号发生器3的一号时钟信号输入端、时间数据转换器9的时钟信号输入端;时钟电路11的二号时钟信号输出端CK与斜坡信号发生器3的二号时钟信号输入端连接;时钟电路11的三号时钟信号输出端与结果锁存器10的时钟信号输入端连接。
工作原理:假设流过敏感电阻1的电池正负方向电流被转换为正或负电压,通过电平移位电路2变为Vdown到Vtop之间的电压信号。该电压信号同时被送入充电比较器4的负输入端与放电比较器5的正输入端。根据所假设的信号范围,充电比较器的正输入端设置为Vref到Vtop之间的上升斜坡信号Vu;放电比较器的负输入设置为Vref到Vdown之间的下降斜坡信号Vd。由于电容C1和C2的初始电压为Vref,故敏感电阻1上的正、负电流所转换成的电压信号只能在充或者放电比较器两者之一产生脉宽信号Vcom,另一个为一恒定高电平;因此充放电标志判决电路7可以据此得到充放电标志。与门8将两个比较器结果合并送入时间数字转换器9,其上升沿作为所测时间间隔的停止时刻,而CK_上升沿是时间转换的开始时刻,其波形图如图8和图9所示。时间数字转换器9所得数字码与充放电标志一起存入结果锁存器10。在时钟11控制下,最后被CPU12取走。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于时间数字转换器的锂电池电流检测电路的区别在于,斜坡信号发生器3包括运算放大器A、一号PMOS管M0、电阻R、缓冲器B、二号PMOS管M1、三号PMOS管M2、四号PMOS管M3、一号NMOS管M4、二号NMOS管M5、一号开关K1、二号开关K2、三号开关K3、四号开关K4、电容C1和C2;运算放大器A的负向输入端是斜坡信号发生器3的参考基准电压输入端,运算放大器A的输出端与一号PMOS管M0的栅极连接;所述一号PMOS管M0的源极同时与运算放大器A的正向输入端、缓冲器B的输入端和电阻R的一端连接;电阻R的另一端与电源地连接;缓冲器B的输出端同时与一号开关K1的一个静端和二号开关K2的一个静端连接;一号开关K1的另一个静端同时与电容C1的一端和三号开关K3的一个静端连接;三号开关K3的另一个静端与二号NMOS管M5的漏极连接;二号NMOS管M5的栅极同时与一号NMOS管M4的栅极、三号PMOS管M2的源极、一号NMOS管M4的漏极连接;一号NMOS管M4的源极同时与电源地和二号NMOS管M5的源极连接;电容C1的另一端与电源地连接;二号开关K2的另一个静端同时与电容C2的一端、四号开关K4的一个静端连接;电容C2的另一端接电源地;一号PMOS管M0的漏极同时与二号PMOS管M1的源极、二号PMOS管M1的栅极、三号PMOS管M2的栅极、四号PMOS管M3的栅极连接;二号PMOS管M1的漏极同时与电源、三号PMOS管M2的漏极、四号PMOS管M3的漏极连接;四号PMOS管M3的源极与四号开关K4的另一个静端连接;时钟电路11的一号时钟信号输出端CK_同时与一号开关K1的动端和二号开关K2的动端连接;时钟电路11的二号时钟信号输出端CK同时与三号开关K3的动端和四号开关K4的动端连接。
工作原理:斜坡信号发生器原理如图5所示,偏置及参考基准单元6产生的基准电压Vref通过运算放大器A、PMOS管M0、电阻R形成的负反馈结构来产生稳定的电流I。该电流大小由电阻R来确定,其表达式如式(1):
PMOS管M1,M2,M3构成一组电流镜,NMOS管M4,M5也构成一组电流镜。它们所镜像的电流与I成比例关系,M3通过开关连接电容C2为恒定电流的充电电流源;M5通过开关连接C1为恒定电流的放电电流源。Vref电压通过缓冲器(buffer)在开关的控制下分别与大小为C的电容C1、C2相连。开关分别由时钟11产生的两相不交叠时钟CK和CK_控制。如图8、图9所示,当CK为高时,电容C1和C2分别被置为初始电压Vref;当CK_为高时,电容C1和C2分别被放/充电至最终电压Vdown和Vtop。如图8和图9所示,C1上的电压值Vd和C2上的电压值Vu分别表现为下降斜坡电压信号(由Vref变化到Vdown)和上升斜坡电压信号(由Vref变化到Vtop)。另外,因为实际电路中电流镜支路电压过大或者过小时会使MOS晶体管脱离饱和区从而使镜像的电流大小不再是恒定,所以参数设计时信号范围上限Vtop应该小于M3脱离饱和区的上限电压Vts;同理,信号范围下限Vdown应该大于M5脱离饱和区的下限电压Vds。恒流源对电容充放电的关系式如表达式(2)所示,因为充/放电流I与电容大小C恒定,因此可知电容上电压变化大小ΔV与时间成固定斜率的关系。
从而,C1上的电压值Vd(下降斜坡信号)和C2上的电压值Vu(上升斜坡信号)可分别表示为:
Vd=Vref-ΔV (3)
Vu=Vref+ΔV (4)
充电比较器4输入信号连接如图6所示:流过敏感电阻1(Rsen)的正电流(Isen)所转换成的电压Vsen(Vsen=Isen·Rsen),通过电平移位电路2移动正Vref后变为Vin,则Vin=Vsen+Vref。Vin接在负输入端;上升斜坡信号Vu接正输入端。当Vu=Vin时,充电比较器4输出Vcom从0跳变到1如图8所示。放电比较器(5)输入信号连接如图7所示:流过敏感电阻(1)(Rsen)的负电流(-Isen)所转换成的电压Vsen(Vsen=-Isen·Rsen),通过电平移位电路(2)移动正Vref后变为Vin,则Vin=VrefVsen。Vin接正输入端;下降斜坡信号Vd接负输入端。当Vd=Vin时,放电比较器(5)输出Vcom从0跳变到1如图9所示。综上所述可知,对于敏感电阻(1)上所流过的正或负电流,其转换而成的电压Vsen经过移位后形成充电比较器(4)和放电比较器(5)的输入电压Vin,比较充电和放电两种情况可得:
ΔV=Isen·Rsen (5)
因为输入电压Vin所处范围只能是两个比较器其中一个输入斜坡信号范围内,所以一个比较器会出现如图8或图9所示比较输出Vcom,对于另外一个比较器将会一直输出为高电平。两路比较器的输出通过与门8合并为一路送入后级时间数字转换器9作为停止信号stop。
时间-数字转换电路的工作原理可以用图10所示经典的时间数字转换器结构来说明。CK_信号作为开始信号start沿着由延迟时间为Td的延迟单元串接成的延迟链传输,在停止信号stop到来时,触发器采样start信号得到能表示start信号位置的温度计码,经过数据逻辑处理电路就可以计算出start信号所通过的延迟单元个数N,也即是时间-数字转换器的转换输出。则:
T=N·Td (6)
其中T是start信号与stop信号之间的时间差,即电容的充放电时间。
由式(1)、(2)、(5)、(6)可得:
具体实施方式三、基于具体实施方式一的基于时间数字转换器的锂电池电流检测电路的检测方法,它的方法为:充放电电流经过敏感电阻1转换为正/负电压;电平移位电路2根据偏置及参考基准单元6提供的参考基准电压将该正/负电压进行电平移位;同时,斜坡信号发生器3也在偏置及参考基准单元6提供的参考基准电压上产生正/负的斜坡信号;充电比较器4将电平移位后的电压信号与正斜坡信号进行比较,输出一路比较结果给与门8;放电比较器5将电平移位后的电压信号与负斜坡信号进行比较,输出一路比较结果给与门8;与门8根据两路输入信号获得一路结果信号,并将该路结果信号发送给时间数字转换器9转换为数字量,充放电标志判决电路7根据两路比较结果生成充放电标志,并存入结果锁存器10,实现锂电池电流检测。
采用CPU12通过查询或中断的方式,在结果锁存器10对锂电池电流检测结果进行查询。
Claims (4)
1.基于时间数字转换器的锂电池电流检测电路,它包括充电比较器(4)、放电比较器(5)、结果锁存器(10)和时钟电路(11),其特征是:它还包括电平移位电路(2)、斜坡信号发生器(3)、偏置及参考基准单元(6)、充/放电标志判决电路(7)、与门(8)和时间数字转换器(9);电平移位电路(2)的正/负电压输入端与敏感电阻(1)的非接地端连接;所述电平移位电路(2)的电平移位后电压信号输出端同时与充电比较器(4)的电平移位后电压信号输入端和放电比较器(5)的电平移位后电压信号输入端连接;偏置及参考基准单元(6)的一号参考基准电压输出端与斜坡信号发生器(3)的参考基准电压输入端连接;偏置及参考基准单元(6)的二号参考基准电压输出端与电平移位电路(2)的参考基准电压输入端连接;偏置及参考基准单元(6)的三号参考基准电压输出端同时与充电比较器(4)的参考基准电压输入端和放电比较器(5)的参考基准电压输入端连接;斜坡信号发生器(3)的正/负斜坡信号输出端同时与充电比较器(4)的正斜坡信号输入端和放电比较器(5)的负斜坡信号输入端连接;充电比较器(4)的充电比较结果输出端同时与充/放电标志判决电路(7)的充电比较结果输入端和与门(8)的一个输入端连接;放电比较器(5)的放电比较结果输出端与充/放电标志判决电路(7)的放电比较结果输入端和与门(8)的另一个输入端连接;充/放电标志判决电路(7)的判决结果输出端与结果锁存器(10)的判决结果输入端连接;与门(8)的与结果输出端与时间数字转换器(9)的与结果输入端连接;所述时间数据转换器(9)的转换信号输出端与结果锁存器(10)的转换信号输入端连接;时钟电路(11)的一号时钟信号输出端CK_同时与斜坡信号发生器(3)的一号时钟信号输入端、时间数据转换器(9)的时钟信号输入端连接;时钟电路(11)的二号时钟信号输出端CK与斜坡信号发生器(3)的二号时钟信号输入端连接;时钟电路(11)的三号时钟信号输出端与结果锁存器(10)的时钟信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于时间数字转换器的锂电池电流检测电路,其特征在于斜坡信号发生器(3)包括运算放大器(A)、一号PMOS管(M0)、电阻R、缓冲器(B)、二号PMOS管(M1)、三号PMOS管(M2)、四号PMOS管(M3)、一号NMOS管(M4)、二号NMOS管(M5)、一号开关(K1)、二号开关(K2)、三号开关(K3)、四号开关(K4)、电容C1和C2;运算放大器(A)的负向输入端是斜坡信号发生器(3)的参考基准电压输入端,运算放大器(A)的输出端与一号PMOS管(M0)的栅极连接;所述一号PMOS管(M0)的源极同时与运算放大器(A)的正向输入端、缓冲器(B)的输入端和电阻R的一端连接;电阻R的另一端与电源地连接;缓冲器(B)的输出端同时与一号开关(K1)的一个静端和二号开关(K2)的一个静端连接;一号开关(K1)的另一个静端同时与电容C1的一端和三号开关(K3)的一个静端连接;三号开关(K3)的另一个静端与二号NMOS管(M5)的漏极连接;二号NMOS管(M5)的栅极同时与一号NMOS管(M4)的栅极、三号PMOS管(M2)的源极、一号NMOS管(M4)的漏极连接;一号NMOS管(M4)的源极同时与电源地和二号NMOS管(M5)的源极连接;电容C1的另一端与电源地连接;二号开关(K2)的另一个静端同时与电容C2的一端、四号开关(K4)的一个静端连接;电容C2的另一端接电源地;一号PMOS管(M0)的漏极同时与二号PMOS管(M1)的源极、二号PMOS管(M1)的栅极、三号PMOS管(M2)的栅极、四号PMOS管(M3)的栅极连接;二号PMOS管(M1)的漏极同时与电源、三号PMOS管(M2)的漏极、四号PMOS管(M3)的漏极连接;四号PMOS管(M3)的源极与四号开关(K4)的另一个静端连接;时钟电路(11)的一号时钟信号输出端CK_同时与一号开关(K1)的动端和二号开关(K2)的动端连接;时钟电路(11)的二号时钟信号输出端CK同时与三号开关(K3)的动端和四号开关(K4)的动端连接。
3.基于权利要求1所述的基于时间数字转换器的锂电池电流检测电路的检测方法,其特征是:它的方法为:充放电电流经过敏感电阻(1)转换为正/负电压;电平移位电路(2)根据偏置及参考基准单元(6)提供的参考基准电压将该正/负电压进行电平移位;同时,斜坡信号发生器(3)也在偏置及参考基准单元(6)提供的参考基准电压上产生正/负的斜坡信号;充电比较器(4)将电平移位后的电压信号与正斜坡信号进行比较,输出一路比较结果给与门(8);放电比较器(5)将电平移位后的电压信号与负斜坡信号进行比较,输出一路比较结果给与门(8);与门(8)根据两路输入信号获得一路结果信号,并将该路结果信号发送给时间数字转换器(9)转换为数字量,充放电标志判决电路(7)根据两路比较结果生成充放电标志,并存入结果锁存器(10),实现锂电池电流检测。
4.根据权利要求3所述的基于时间数字转换器的锂电池电流检测电路的检测方法,其特征在于采用CPU(12)通过查询或中断的方式,在结果锁存器(10)对锂电池电流检测结果进行查询。
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CN102171918A (zh) * | 2008-07-31 | 2011-08-31 | 先进模拟科技公司 | 具有改善的瞬变电流能力的增压dc/dc 电压转换器 |
-
2011
- 2011-10-31 CN CN 201110337815 patent/CN102393486B/zh not_active Expired - Fee Related
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