CN102955056B - 一种电池组高压端电池的电压采样电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高端电池电压的采样电路，包括电压转电流电路，电流转电压电路，所述电流转电压电路是所述电压转电流电路的复制电路，所述两电路中包含相同数量的低压器件，所述电压转电流电路的输入端连接高压电池，输出端连接所述电流转电压电路的输入端，所述电流转电压电路的输出端接芯片地，还包括一偏置电路连接在所述电压转电流电路和所述电流转电压电路之间，其用于提供偏置电压。还提供一种高端电池电压的采样方法，用于多节电池串联的电池电压采样的电路之中，包括将待采样电压转化为电流的步骤；使所述电流通过电流转电压电路的步骤。

Description

一种电池组高压端电池的电压采样电路及方法

技术领域

本发明涉及集成电路中的电池电压检测技术，尤其涉及一种电池组高压端电池的电压采样电路及方法。

背景技术

随着充电电池在电动工具，电动自行车，电动汽车中大规模应用；为了最大限度的保护电池和最大限度的延长电池的使用寿命以及准确的告知电池的剩余使用时间，使得对电池电量的实时精确监测成为必不可少的部分；然而在一般的电动工具，电动自行车和电动汽车中，电池的使用数量为少则几节串联，多则上百节串联在一起使用，需要几个或几十个芯片级联来实现；然而即使这样，每个芯片上电池的绝对电压也是很高的，为了得到每节电池电压，以便让给芯片本身的低压ADC或单片机上的ADC进行进一步处理，高压采样电路是必不可少的。

目前市场上常规的采样方法主要包括以下两种，一是直接用耐高压的MOS管构成的比例电路来采绝对电池电压并把它转换成相对芯片地的相对电压；这样用高压MOS管构成的比例电路的面积相当大，并且有N节电池就需要N-1个这样的比例电路，其对芯片成本来说是相当高的，还有就是这样的高压管的匹配性很差，从而造成采样精度不高；另一种方法就是用电容采样的方法，即先用高压MOS开关把电容两端分别连接待测电池的两端，完成对电池采样后，再把电池的下极板接到芯片的地，把电容的上极板接到一个单位增益运放的正输入端，从而完成对高压端电池的采样；这种方法理论上可以很精确把高压端电池电压转换成相对芯片地电池电压，但是由于每节电池都需要两个面积大的高压开关，当它完成电池采样后开关关断时的沟道电荷的转移效应会对采样精度有很大的影响，要保持一定的采样精度，就需要很大的采样电容，加上高压解码开关控制电路，其对芯片地面积成本要求是很大的。针对集成电路封装需求，需要在较小的面积实现电压采样，现有技术无法满足这样的需要。

发明内容

本发明的目的是采用一种新的电池组高压端电池的电压采样方法，即电流采样方法。

针对现有技术的缺点，本发明提供一种电池组高压端电池的电压采样电路，其中，包括电压转电流电路，电流转电压电路，所述电压转电流电路用于把电池电压转换成电流，所述电流通过所述电流转电压电路传输到芯片地，所述电流转电压电路两端形成的电压差为采样电压，所述电流转电压电路是所述电压转电流电路的镜像复制电路，所述采样电压值等于所述高压端电池电压值。

上述的电池组高压端电池的电压采样电路，其中，所述电流转电压电路是所述电压转电流电路的镜像复制电路。

上述的电池组高压端电池的电压采样电路，其中，所述电压转电流电路包括第一电阻和第一MOS管，所述第一电阻一端连接所述第一MOS管的源极，另一端连接所述高压端电池的正极，所述第一MOS管的栅极连接所述高压端电池的负极，所述第一MOS管的漏极作为所述电压转电流电路的输出端，用于输出电流。

上述的电池组高压端电池的电压采样电路，其中，所述电流转电压电路包括第二电阻和第二MOS管，所述第二电阻一端作为所述电流转电压电路的输入端，另一端连接所述第二MOS管的源极，所述第二MOS管的漏极和栅极均接芯片地。

上述的电池组高压端电池的电压采样电路，其中，所述第二电阻和所述第一电阻相同，所述第二MOS管和所述第一MOS管相同。

上述的电池组高压端电池的电压采样电路，其中，所述第一MOS管和所述第二MOS管均为低压MOS管。

上述的电池组高压端电池的电压采样电路，其中，还包括一偏置电路，所述偏置电路连接在所述电压转电流电路和电流转电压电路之间，其用于防止所述第一MOS管和所述第二MOS管被高压击穿。

根据本发明的另一个方面，还提供一种电池组高压端电池的电压采样方法，用于多级电池级联的电池电压采样的电路之中，其中，包括：

用电压转电流电路的低压器件将待采样高压转换成电流的步骤；

所述电流通过电流转电压电路的低压器件后传输到芯片地，电流转电压电路形成相对芯片地的采样电压的步骤。

本发明通过先用低压器件把相对电池电压转换成电流，再把此电流流经一个连接到芯片地的采样电流电路的复制电路，从而转换成对芯片地的电池采样电压，由于采样和还原都用完全一样的低压器件，从而利用很小的面积和很高的精度完成对高压端电池电压的采样。避免了使用过多的高压器件，实现控制芯片面积的效果。

采用了上述技术解决方案，本发明无需过多的电器元件，以很小的芯片面积便可完成电池组高压端电池的电压采样电路布图设计，不仅在结构上得到有效简化，更降低了制造成本，实现了精确的高压端电池电压的采样工作。

附图说明

通过阅读参照如下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出根据本发明的，一种电池组高压端电池的电压采样电路的原理框图；以及

图2示出根据本发明的，一种电池组高压端电池的电压采样电路的具体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施方式仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

本发明的中心思想是采用低压器件，对待采样电池的电压进行压—电，电—压转化，具体的就是通过电压转电流电路把电池电压转换成电流，通过电流转电压电路把所述电流转换成相对芯片地的采样电压。

在一个优选例中，还可以包括一个偏置电路，参考图1，图1示出根据本发明的，一种电池组高压端电池的电压采样电路的原理框图。其中，所述电压采样电路由电压转电流电路101，电流转电压电路201，以及偏置电路301组成，所述偏置电路301接在所述电压转电流电路101和电流转电压电路201之间。

本领域技术人员理解，图1提供了实现本发明的一个原理图，以下参考图2所示出的一个优选例，本领域技术人员可以根据图1的原理，结合图2，采用不同的低压器件来实现这种高压端电池的电压采样电路。

图2示出根据本发明的，一种电池组高压端电池的电压采样电路的具体结构示意图。如图2所示，电压转电流电路101和电流转电压电路201中的电器元件均相同，所述电流转电压电路是所述电压转电流电路的复制电路。如图所示的电池组高压端电池的电压采样电路的电路结构包括一高压端电池bat，电压转电流电路101，电流转电压电路201以及偏置电路301，其中，在一个优选例中，高压端电池bat有多节，为方便描述，在图2中示出一节高压端电池bat，电池负端与芯片地之间的虚线表示N节高压端电池串联，本领域技术人员理解，本发明适用于多节高压端电池串联的电池电压采样。

进一步地，电压转电流电路101包括第一电阻Rsample，第一MOS管M1，其中，第一电阻Rsample一端连接所述高压端电池bat的正极，另一端连接第一MOS管M1的源极，第一MOS管M1的栅极连接所述高压端电池的负极，第一MOS管M1的漏极作为所述电压转电流电路的输出端，用于输出电流，而第一电阻Rsample的作用的将其两端的电压转化为电流，这样，就能将难以直接检测的高压端电池电压转化为电流了。当然，具体的电压检测还需要重新将所述电流转化为一个参考电压以方便检测，在所述电压转电流电路101输出端需要连接一个电流转电压电路。

参考图2，电流转电压电路201包括第二电阻Rrecovery，第二MOS管M2，其中，第二电阻Rrecovery一端作为电流转电压电路201的输入端，另一端连接所述第二MOS管M2的源极，所述第二MOS管M2的漏极和栅极均接芯片地。

进一步地，参考图2所示的采样电路，由于本发明优选采用低压器件，所以第一MOS管M1和第二MOS管M2需要高压保护，在电压转电流电路101和电流转电压电路201之间，偏置电路301用于避免第一MOS管M1和第二MOS管M2被高压击穿。当电压转电流电路101输出的电流经过所述偏置电路301进入电流转电压电路201的输入端，所述电流将通过第二电阻Rrecovery和第二MOS管M2，而电流转电压电路201的输出端接地，这就使得电流转电压电路201的输入端的电压值相对地而言等于第二电阻Rrecovery和第二MOS管M2上的电压值的和，而所述电流是电流转电压电路201中施加在第一电阻Rsample的电压所产生的，因此，只要所述电流通过第二电阻Rrecovery后所产生的第二电阻Rrecovery两端电压值与所述第一电阻Rsample两端电压值相同，所述第一MOS管M1的栅源电压和第二MOS管M2的栅源电压相同，那么电流转电压电路两端的电压值就等于所述需要采用的高端电压值。

具体地，以下结合图2所示的电路结构图说明本发明的实现原理：对于电压转电流电路101，由于第一电阻Rsample和所述第一MOS管M1串联在高压端电池bat两端，定义高压端电池bat的电压正端为V_bat+，高压端电池bat的电压负端为V_bat-，第一MOS管M1两端电压为Vgs_M1，通过第一电阻Rsample的电流为I，则根据公式计算可得：

$I=\frac{V_{bat+}-V_{{\mathrm{bat}}_{-}}-{\mathrm{Vgs}}_{M1}}{R_{sample}}$

所述电流I流向电流转电压电路201后，在电流转电压电路201输入端输入，电流经过第二电阻Rrecovery，而第二MOS管M2的漏极和栅极均接芯片地，类似地，定义第二MOS管M2两端电压为Vgs_M2，电流转电压电路201输入端电压为V_samp，则根据公式计算可得：

$\begin{array}{c}{V}_{samp}=I*R_{re\mathrm{cov}ery}+{\mathrm{Vgs}}_{M2}\\ =R_{re\mathrm{cov}ery}*\frac{V_{bat+}-V_{{\mathrm{bat}}_{-}}-{\mathrm{Vgs}}_{M1}}{R_{sample}}+{\mathrm{Vgs}}_{M2}\\ =(V_{bat+}-V_{{\mathrm{bat}}_{-}})*\frac{R_{re\mathrm{cov}ery}}{R_{sample}}+({\mathrm{Vgs}}_{M2}-\frac{R_{re\mathrm{cov}ery}}{R_{sample}}*{\mathrm{Vgs}}_{M1})\end{array}$

根据上述公式显示，当第一电阻Rsample和第二电阻Rrecovery完全相等并匹配，且第一MOS管M1和第二MOS管M2完全相等并匹配时，电压Vsamp就等于被采电池两端的电压：V_samp＝V_bat+-V_bat-。因此，测量电压Vsamp的值就能对高压端电池电压值完成采样工作。其中，图2所示的采样电路中的第一电阻Rsample和第二电阻Rrecovery也可以根据需要采用不同的阻值大小，只需保证第一电阻Rsample和第二电阻Rrecovery两者阻值相同即可，使得电流转电压电路201是电压转电流电路101的复制电路。

进一步地，如图2所示的实施例中，所述采样电路中的2个MOS管M1和M2为低压P型MOS管，本领域技术人员理解，所述MOS管的类型也可以根据需要采用其他诸如低压N型MOS管或高压MOS管来代替。所不同的是，当采用N型MOS管时，MOS管的连接方式与图2所示电路图镜像相反，具体地，第一MOS管M1的栅极连接在高压端电池bat的正极，其源极连接第一电阻Rsample一端，第一电阻Rsample另一端连接高端电压bat另一端。进一步地，在一个变化例中，当第一MOS管M1和第二MOS管M2为高压MOS管时，则在偏置电路中无需设置高压MOS管进行高压保护。本领域技术人员结合现有技术可实现所述变化例，所述变化并不影响本发明的实施，在此不予赘述。

另一方面，结合图1和图2，对本发明的电池组高压端电池的电压采样方法作进一步详细叙述，本发明的采样方法用于多级电池级联的电池电压采样的电路之中，目的是将高压端电池的绝对电压转化为对芯片地的电压进行采样，具体地，电压转化过程包括下列2个小步骤：

首先，利用电压转电流电路的低压器件将待采样高压端电池电压转换成电流。参考图2的电压转电流电路101，当电路开始工作是先是由第一电阻Rsample和第一MOS管M1组成的电压转电流电路101把电池的绝对高压转换成电流。

再利用电流转电压电路的低压器件把所述电流转换成对芯片地的采样电压。参考图2所示的电流转电压电路201，得到所需的相对芯片地的电池电压Vsamp。

在一个具体实施例中，本发明方法的特征在于测量所述电流转电压电路输入端对芯片地的电压，所述电压值等于电池电压。

在本发明中，图2中未示出偏置电路301内部具体结构，本领域技术人员应当理解，偏置电路301的具体结构可根据电压转电流电路101和电流转电压电路201变化而不同，本领域技术人员可结合现有技术实现偏置电路301，以满足采样电路中的晶体管工作点要求，在此不予赘述。

本发明通过低压器件组成两个复制电路，将高压端电池电压经过电压转电流、再电流转电压后进行采样，达到电压采样电路面积较小，采样精度较高的目的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的方法和处理过程应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种电池组高压端电池的电压采样电路，其特征在于，包括电压转电流电路和电流转电压电路，所述电压转电流电路用于把高压端电池电压转换成电流，所述电流通过所述电流转电压电路传输到芯片地，所述电流转电压电路两端形成的电压差为采样电压，所述电流转电压电路是所述电压转电流电路的镜像复制电路，所述采样电压值等于所述高压端电池电压值；所述电压转电流电路包括第一电阻和第一MOS管，所述第一电阻一端连接所述第一MOS管的源极，另一端连接所述高压端电池的正极，所述第一MOS管的栅极连接所述高压端电池的负极，所述第一MOS管的漏极作为所述电压转电流电路的输出端，用于输出电流；所述电流转电压电路包括第二电阻和第二MOS管，所述第二电阻一端作为所述电流转电压电路的输入端，另一端连接所述第二MOS管的源极，所述第二MOS管的漏极和栅极均接芯片地；所述第一MOS管和所述第二MOS管均为低压MOS管；还包括连接在所述电压转电流电路和所述电流转电压电路之间的偏置电路，由高压MOS管构成，用于防止所述第一MOS管和所述第二MOS管被高压电击穿。

2.根据权利要求1所述的电池组高压端电池的电压采样电路，其特征在于，所述第二电阻和所述第一电阻相同，所述第二MOS管和所述第一MOS管相同。

3.根据权利要求1所述的电池组高压端电池的电压采样电路，其特征在于，所述偏置电路中包括第三MOS管以及第四MOS管，所述第三MOS管的源极连接所述第一MOS管的漏极，所述第三MOS管的漏极连接所述第四MOS管的源极，所述第四MOS管的漏极连接所述电流转电压电路的输入端，所述第三MOS管和所述第四MOS管的栅极分别连接偏置电压，所述第三MOS管和所述第四MOS管为高压MOS管。

4.一种电池组高压端电池的电压采样方法，用于如权利要求1～3任意一项所述的电池组高压端电池的电压采样电路之中，其特征在于，包括：

用电压转电流电路将待采样高压转换成电流，所述电压转电流电路中的器件均为低压器件；

所述电压转电流电路输出的电流经过偏置电路进入电流转电压电路的输入端；

所述电流通过所述电流转电压电路后接地，所述电流转电压电路两端的电压值等于采样电压，所述电流转电压电路中的器件均为低压器件。