CN103592508A - 一种用于库仑计量的电流检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于库仑计量的电流检测装置，包括检流电阻、电压信号调理模块、AD转换模块、参考电压源模块、采样时钟源模块、数字滤波模块、失调校准模块、增益误差校准模块以及时序控制模块。本发明为便携式电子设备的库仑计量提供了一种高精度低损耗的电流检测方案,使得电子设备能够实时准确地向用户提供电池剩余电量信息，增强用户体验。本发明技术方案引入的附加功率损耗比较低，对电池的续航时间并不产生显著的影响。

Description

一种用于库仑计量的电流检测装置

技术领域

本发明涉及电信号检测技术领域，具体涉及一种用于库仑计量的电流检测装置，尤其涉及便携式电子设备库仑计量的电流检测装置。

背景技术

由于便携式电子设备的日益普及，便携式电子设备的电源技术得到了快速的发展。目前的便携式电子设备通常采用锂电池供电，科学的电池管理能够充分发挥电子设备的性能，节省功耗，优化用户体验。便携式电子设备库仑计量的目的是提供准确的电池剩余电量信息，而电池剩余电量是用户所需要的重要信息之一。流经电池的电流波形比较复杂，所幸的是库仑计量只需要精确地测量流进和流出电池的净电流，而并不关注电流波形的频率成分。大多数的便携式电子设备，至少会工作在两种功率等级，一种是设备执行特定工作任务如开机的高功率模式，一种是间歇性工作如待机的低功耗模式，由于设备工作模式的切换往往无法预先通知电流检测装置，这就要求电流检测电路有足够的动态范围，既能测量开机模式下的大电流，又能测量待机模式下的小电流，并在整个动态范围内保持线性。库仑计量的应用，要求检测的电流达到足够的精度。微小的测量误差长时间积累起来，会使得电池的测量容量和实际容量产生巨大的偏差。便携式电子设备库仑计量一般是在电池的功率通路中串接一个小电阻作检流电阻，然后把检流电阻上的电压模拟量转化为数字量。为了尽可能地降低I²R（功率）损耗，检流电阻的阻值应尽可能的小。但是如此一来通过检流电阻产生的电压信号非常微弱，通常为几十μV甚至几μV的级别，噪声和失调很容易把有效的信号淹没，导致测量误差。此外检流电阻的精度一般只能保证到1％，并且阻值低的检流电阻在焊接组装过程中也会引入较大的偏差，从而给检测结果带来相当显著的增益误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种用于库仑计量的电流检测装置，克服现有技术的电流检测装置容易造成测量误差的缺陷。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种用于库仑计量的电流检测装置，包括检流电阻、电压信号调理模块、AD转换模块、参考电压源模块、采样时钟源模块、数字滤波模块、失调校准模块、增益误差校准模块以及时序控制模块，所述检流电阻、所述电压信号调理模块、所述AD转换模块、所述数字滤波模块、所述失调校准模块、所述增益误差校准模块依次相连并分别所述时序控制模块相连，所述参考电压源模块、所述采样时钟源模块与所述AD转换模块相连并分别所述时序控制模块相连，所述电压信号调理模块用于对所述检流电阻两端的放电电压信号、充电电压信号和失调电压信号进行放大，所述AD转换模块用于将所述电压信号调理模块的电压信号转换成数字电流信号，所述数字滤波模块用于对所述数字电流信号进行滤波处理，所述参考电压源模块用于产生参考电压，所述采样时钟源模块用于产生采样时钟，所述失调校准模块用于对所述数字电流信号进行失调校准，所述增益误差校准模块用于对所述检流电阻的阻值偏差以及增益误差进行校准，所述时序控制模块用于产生时序控制信号。

根据本发明的实施例，所述电压信号调理模块包括一组逻辑开关，通过所述逻辑开关对所述放电电压信号、所述充电电压信号和所述失调电压信号进行选择。

根据本发明的实施例，所述AD转换模块包括逐次逼近逻辑模块、电容和开关阵列以及比较器，所述电容和所述开关阵列与所述比较器的输入端相连并与所述逐次逼近逻辑模块相连，所述比较器的输出端与所述逐次逼近逻辑模块的输入端相连。

根据本发明的实施例，所述采样时钟源模块包括移位寄存器、充电电容和一组PMOS管，所述移位寄存器周期性地改变所述PMOS管与所述充电电容连接的个数。

根据本发明的实施例，所述失调校准模块将所述AD转换模块输出的放电电流信号、充电电流信号与失调电流信号进行算术相减，得到失调校准的所述放电电流信号和所述充电电流信号。

根据本发明的实施例，所述增益误差校准模块，在调试时根据从电池抽取的电流值和所述失调校准模块输出的放电电流信号计算增益误差校准码，实际工作时根据所述增益误差校准码对经过失调校准的所述放电电流信号和所述充电电流信号进行增益误差校准，得到增益误差校准的所述放电电流信号和所述充电电流信号。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明为便携式电子设备的库仑计量提供了一种高精度低损耗的电流检测方案,使得电子设备能够实时准确地向用户提供电池剩余电量信息，增强了用户体验。本发明技术方案引入的附加功率损耗比较低，对电池的续航时间并不产生显著的影响。本发明可以应用于手机、平板电脑、多媒体播放器、PDA和数码照相机、医疗仪器等便携式电子设备，以及智能充电设备的库仑计量中，本发明还可以应用于基于开路电压技术（OCV）的电量计量方法，计算电池内阻的电流检测过程中，本发明还可以应用于运用平均电流做控制的系统的电流检测过程中。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为本发明电流检测装置模块图；

图2a为本发明电压信号调理模块制造正向失调量电路示意图；

图2b为本发明电压信号调理模块处理放电电流信号电路示意图；

图2c为本发明电压信号调理模块处理充电电流信号电路示意图；

图2d为本发明电压信号调理模块处理失调信号电路示意图；

图3为本发明AD转换模块的实施例电路图；

图4为本发明采样时钟源模块的实施例电路图；

图5为本发明增益误差校准模块实施例流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明用于库仑计量的电流检测装置，包括检流电阻、电压信号调理模块、AD转换模块、参考电压源模块、采样时钟源模块、数字滤波模块、失调校准模块、增益误差校准模块以及时序控制模块，所述检流电阻、所述电压信号调理模块、所述AD转换模块、所述数字滤波模块、所述失调校准模块、所述增益误差校准模块依次相连并分别所述时序控制模块相连，所述参考电压源模块、所述采样时钟源模块与所述AD转换模块相连并分别所述时序控制模块相连，所述电压信号调理模块用于对所述检流电阻两端的放电电压信号、充电电压信号和失调电压信号进行放大，所述AD转换模块用于将所述电压信号调理模块的电压信号转换成数字电流信号，所述数字滤波模块用于对所述数字电流信号进行滤波处理，所述参考电压源模块用于产生参考电压，所述采样时钟源模块用于产生采样时钟，所述失调校准模块用于对所述数字电流信号进行失调校准，所述增益误差校准模块用于对所述检流电阻的阻值偏差以及增益误差进行校准，所述时序控制模块用于产生时序控制信号。

如图2、图3、图4和图5所示，本发明用于库仑计量的电流检测装置，采用非相关采样技术，具有失调自动校准功能和增益误差校准功能的电流检测电路，非相关采样技术的运用，能够以较低的采样率精准地捕捉脉动电流的平均值；失调和增益误差校准机制的引入，使电路能够实现高精度的电流检测，从而使得检流电阻阻值的选取能够低达几mΩ，使其I²R损耗降到相对低的水平。由于电池的工作状态随时可能在充电和放电之间切换，而库仑计量往往无法及时地判断电流的方向。本发明中，无论电池处在何种工作状态，电流检测电路都需要同时获取放电电流数据和充电电流数据，然后根据两者之差来得到电池电量的增减变化。因此，电流检测电路周期性地工作在三个状态，分别是放电电流检测、充电电流检测和失调检测。本发明包括检流电阻、电压信号调理模块、AD转换模块、参考电压源模块、采样时钟源模块、数字滤波模块、失调校准模块、增益误差校准模块以及时序控制模块。所述检流电阻，串接在电池充放电的功率通路上，把流进和流出电池的电流转化成电压信号。所述电压信号调理模块，把检流电阻两端微弱的电压信号进行放大、滤波降噪处理。所述AD转换模块，把经过电压信号调理模块处理的放电、充电和失调三种电压信号转换为数字量，转换后分别得到放电电流数据Dout0、充电电流数据Din0和电流失调数据Dos0。所述参考电压源模块，产生参考电压，作为AD转换的参考电压源。所述采样时钟源模块，产生采样时钟，控制非相关采样的频率。所述数字滤波模块，把数字信号进行滤波处理，提取信号的平均值。所述失调校准模块，实现电流检测初值Dout1/Din1与失调值Dos1的算术相减，得到消除失调量后的测量值Dout2/Din2。所述增益误差校准模块，实现检流电阻的阻值偏差以及电流检测中其他增益误差的校准，得到电流检测的最终值Dout3/Din3。所述时序控制模块，是各个模块控制信号的来源，统筹协调各个模块的工作。本发明采用的非相关采样技术，能够以较低的采样率精准地捕捉脉动电流的平均值，避免了高速AD转换电路的需求，有效地节省了功耗。电压信号调理模块具有前置滤波功能。复杂的电流波形，例如周期性的电流脉冲，在滤波后其信号能量通常集中在较低的几个频率成分上。只要欠采样的频率避开这几个载能频率及其谐波频率，并且采样的次数足够多，就能够精确地测量信号的平均值。具体实现上，采样时钟源模块产生的采样时钟并不是固定于某一个频率，而是围绕一个频率中心，做展频波动，适当地选择展频的周期和幅度，从而保证采样频率不跟载能频率及其谐波频率重叠。本发明提出的失调自动校准机制，能够周期性地消除检测电路引入的失调量。失调的最主要来源是电压信号调理模块结构上的非对称性以及元器件的失配，并且会随着电池电压和温度的变化而改变。失调的大小和正负具有随机性。从电路实现方式上，正的失调很容易通过检测电路获取，而负的失调则比较难检测。考虑到这一点，本发明特意在电压信号调理模块中制造了正向的失调量，使得随机失调与其叠加后得到的总体失调永远为正。本发明提出的增益误差校准，需要在系统板级组装完成后，获取一个增益误差校准码值ɑ。具体实施是，在system端经过检流电阻从电池抽取的某一电流值I，经过数字滤波和失调校准后，检测电路输出的最终值为Dout2’，根据等式关系I=（1+ɑ）×Dout2’，可以计算出增益误差校准码值ɑ，并把校准码固化到OTP（一次性编程存储器）中。电路实际工作中，增益误差校准模块输出的每个检测值都经过等式Dout3=（1+ɑ）×Dout2或Din3=（1+ɑ）×Din2计算获取，从而把检流电阻的偏差以及检测电路中其他因素引起的增益误差消除掉。

图2a为制造了正向失调量的电压信号调理模块的实施例。本实施例中，忽略运算放大器的失调时，环路反馈使得运算放大器两输入端的电压严格相等，从而将检流电阻Rsense两端的电压信号△V转移到电阻R1或R2上，所产生的电流Ics流经R3，从而把电压信号△V放大R3/R2倍得到电压信号Vcs。在运算放大器中制造输入失调电压Vos，使得Vos和随机失调的总和恒定为正，从而保证电压信号△V的变化能够实时反映到Vcs上，AD转换模块能够准确地抓取其电压值。失调的检测频率选择为电池电流检测频率的1/8，从而确保电池电压和温度发生改变时，失调量能够得到及时的刷新。图2-b为本发明电压信号调理模块处理放电电流信号的连接图，其中开关S2、S5和S6闭合。图2-c为本发明电压信号调理模块处理充电电流信号的连接图，其中开关S3、S4和S7闭合。图2-d为本发明电压信号调理模块处理失调信号的连接图，其中开关S1、S5和S6闭合。上述开关的打开和闭合由时序控制模块的输出信号控制。

图3为本发明AD转换模块的实施例。AD转换模块选用12位电荷再分布式的逐次逼近（Successive-approximation，简称SAR）结构模块，电容阵列实现采样保持功能。通过耦合电容Cs把高6位和低6位进行分割，以达到节省电容阵列面积的目的；高4位译码成热温度码（T0-T14），以减小由电容失配引起的非线性误差。Sclr为对电容两端进行放电的开关。Ssample为采样开关。逐次逼近逻辑（SAR logic）产生AD转换模块内部的控制信号。

图4为带展频功能的采样时钟源模块的实施例。通过给电容C充放电来实现振荡，充电电流的大小以及电容C的尺寸决定了时钟的频率。移位寄存器周期性地逐渐改变PMOS管（M0～Mn）与电容连接的个数，可以改变充电电流的大小，从而使得采样时钟围绕一个频率中心做展频波动。移位寄存器的长度决定展频的周期，PMOS管个数的最大变化差值决定展频的幅度。

本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (6)

1.一种用于库仑计量的电流检测装置，其特征在于：包括检流电阻、电压信号调理模块、AD转换模块、参考电压源模块、采样时钟源模块、数字滤波模块、失调校准模块、增益误差校准模块以及时序控制模块，所述检流电阻、所述电压信号调理模块、所述AD转换模块、所述数字滤波模块、所述失调校准模块、所述增益误差校准模块依次相连并分别所述时序控制模块相连，所述参考电压源模块、所述采样时钟源模块与所述AD转换模块相连并分别所述时序控制模块相连，所述电压信号调理模块用于对所述检流电阻两端的放电电压信号、充电电压信号和失调电压信号进行放大，所述AD转换模块用于将所述电压信号调理模块的电压信号转换成数字电流信号，所述数字滤波模块用于对所述数字电流信号进行滤波处理，所述参考电压源模块用于产生参考电压，所述采样时钟源模块用于产生采样时钟，所述失调校准模块用于对所述数字电流信号进行失调校准，所述增益误差校准模块用于对所述检流电阻的阻值偏差以及增益误差进行校准，所述时序控制模块用于产生时序控制信号。

2.根据权利要求1所述的用于库仑计量的电流检测装置，其特征在于：所述电压信号调理模块包括一组逻辑开关，通过所述逻辑开关对所述放电电压信号、所述充电电压信号和所述失调电压信号进行选择。

3.根据权利要求1所述的用于库仑计量的电流检测装置，其特征在于：所述AD转换模块包括逐次逼近逻辑模块、电容和开关阵列以及比较器，所述电容和所述开关阵列与所述比较器的输入端相连并与所述逐次逼近逻辑模块相连，所述比较器的输出端与所述逐次逼近逻辑模块的输入端相连。

4.根据权利要求1所述的用于库仑计量的电流检测装置，其特征在于：所述采样时钟源模块包括移位寄存器、充电电容和一组PMOS管，所述移位寄存器周期性地改变所述PMOS管与所述充电电容连接的个数。

5.根据权利要求1所述的用于库仑计量的电流检测装置，其特征在于：所述失调校准模块将所述AD转换模块输出的放电电流信号、充电电流信号与失调电流信号进行算术相减，得到失调校准的所述放电电流信号和所述充电电流信号。

6.根据权利要求1所述的用于库仑计量的电流检测装置，其特征在于：所述增益误差校准模块，在调试时根据从电池抽取的电流值和所述失调校准模块输出的放电电流信号计算增益误差校准码，实际工作时根据所述增益误差校准码对经过失调校准的所述放电电流信号和所述充电电流信号进行增益误差校准，得到增益误差校准的所述放电电流信号和所述充电电流信号。

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