CN110018336A

CN110018336A - 一种双向采样电路、采样方法

Info

Publication number: CN110018336A
Application number: CN201910334666.3A
Authority: CN
Inventors: 张俊; 张治安; 杜毅
Original assignee: Shanghai Analog Semiconductor Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Analog Semiconductor Technology Co Ltd
Priority date: 2019-04-24
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2019-07-16
Anticipated expiration: 2039-04-24
Also published as: CN110018336B

Abstract

本申请涉及一种双向采样电路及采样方法、双电池管理系统，包括：放大器，第一至第八电阻、第一至第四开关；第一电阻的一端连接被采样电路的输入端，另一端连接放大器的第一输入端及连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端连接第五电阻、第七电阻的一端及通过第三开关连接输出端；第二电阻的一端连接被采样电路的输出端，另一端连接放大器的第二输入端及连接第四电阻的一端、所述第四电阻的另一端连接第六电阻、第八电阻的一端及通过第四开关连接输出端；所述第七电阻的另一端通过第一开关接地端；所述第八电阻的另一端通过第二开关接地端；所述第五电阻的另一端和所述第六电阻的另一端连接所述放大器的输出端；所述放大器连接选择控制信号。

Description

一种双向采样电路、采样方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，如应用于各种电池，DCDC，快充，或微电流、功率的检测和测量，尤其涉及一种双电池系统中电池双向充放电的双向采样电路、采样方法、双电池管理系统。

背景技术

混合动力汽车使用高压48V电池和标准的12V汽车电池。高效，高可靠性的双电池管理系统方案成为混合动力汽车电子系统的核心电源系统。目前双电池管理系统有全模拟解决方案，全数字解决方案及混合模拟数字解决方案。为了提高锂电系统整体的性能，安全性和可靠性，充放电精度从传统的～1％精度需求提高到<0.1％的高精度需求，从而集成高精度双向电流采样检测电路变成控制器的设计难点。无论是工程师通常采用的数字控制方案管理这些双电池系统(包括多个分立元件，如电流检测放大器、栅极驱动器和保护电路，这些全数字控制方案不仅体积庞大，而且价格昂贵)，还是各种系统构架中，可提供更优的电源转换性能的高度集成的模拟控制器，集成高精度双向电流采样检测电路变成控制器的核心来提高性能和系统可靠性。

多相双向汽车12V/48V电源系统中集成高精度双向电流采样检测是实现<0.1％的典型电流精度的核心设计。随着应用对系统小型化，低系统成本，高可靠性的要求，高集成度变成应用趋势，其中集成高精度成本优化的双向电流采样检测成为设计热点和难点。

除此之外，集成高精度双向电流采样检测还可应用在超级电容或电池备份电源转换器，以及可堆栈降压或升压转换器中。

传统的高精度双向电流采样电路需要采用三个高精度放大器和利用电阻分压加缓冲放大器实现的电位平移电路来达到<0.1％的精度，如图1所示为传统的高精度双向电流采样电路结构图。传统的高精度双向电流采样电路由三个斩波放大器Amp和一个缓冲放大器Buffer来完成充电和放电两个方向的电流检测。

然而，传统的电流检测电路中，由于采用了三个斩波放大器Amp和缓冲放大器Buffer，电路面积和功耗很大，而且高精度的电压参考的校准和测试成本也较高。

发明内容

本申请的目的在于提供一种双向采样电路，提高双向采样电路的采样精度。

为了解决上述问题，本申请公开一种双向采样电路，包括放大器，第一至第八电阻、第一至第四开关：

所述第一电阻的一端连接被采样电路的输入端，另一端连接所述放大器的第一输入端及连接第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端连接第五电阻、第七电阻的一端及通过第三开关连接输出端；

所述第二电阻的一端连接被采样电路的输出端，另一端连接所述放大器的第二输入端及连接第四电阻的一端、所述第四电阻的另一端连接第六电阻、第八电阻的一端及通过第四开关连接输出端；

所述第七电阻的另一端通过第一开关接地端；

所述第八电阻的另一端通过第二开关接地端；

所述第五电阻的另一端和所述第六电阻的另一端连接所述放大器的输出端；

所述放大器连接选择控制信号。

本申请的另一方面还公开了一种双向采样电路，包括第一和第二放大器，第一至第八电阻、第一至第六开关；

所述第一电阻的一端连接被采样电路的输入端，另一端连接所述第一放大器的第一输入端及连接第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端连接第五电阻、第七电阻的一端及通过第五开关连接输出端；

所述第二电阻的一端连接被采样电路的输出端，另一端连接所述第一放大器的第二输入端及连接第四电阻的一端、所述第四电阻的另一端连接第六电阻、第八电阻的一端及通过第六开关连接输出端；

所述第七电阻的另一端通过第一开关连接第二放大器的输出端、通过第二开关接所述第二放大器的负输入端；

所述第八电阻的另一端通过第三开关连接第二放大器的输出端、通过第二开关接所述第二放大器的负输入端；

所述第五电阻的另一端和所述第六电阻的另一端连接所述第一放大器的输出端；

所述第一放大器连接选择控制信号；

所述第二放大器的正输入端连接偏移电压。

在一实施例中，所述第一电阻和第二电阻的阻值相同。

在一实施例中，所述第三电阻和第四电阻的阻值相同。

在一实施例中，所述第五电阻和第六电阻的阻值相同。

在一实施例中，所述第七电阻和第八电阻的阻值相同。

在一实施例中，还包括偏移电压产生电路，所述偏移电压产生电路包括一端连接参考电压，另一端接地端的分压电阻串，从分压节点输出所述偏移电压。

本申请的另一方面还公开了一种双向采样方法，采用前文所述的双向采样电路，包括：

被采样电路的电流从输入端流向输出端时，通过选择控制信号使得所述放大器的第一输入端为正输入端，第二输入端为负输入端；闭合所述第一、第四开关，打开所述第二、第三开关，所述第四、第六、第八电阻相连的一端通过第六开关输出所述双向采样电路的采样电压；或者

被采样电路的电流从输出端流向输入端时，通过选择控制信号使得所述放大器的第一输入端为负输入端，第二输入端为正输入端；打开所述第一、第四开关，闭合所述第二、第三开关，所述第三、第五、第七电阻相连的一端通过第五开关输出所述双向采样电路的采样电压。

被采样电路的电流从输入端流向输出端时，通过选择控制信号使得所述放大器的第一输入端为正输入端，第二输入端为负输入端；闭合所述第一、第二、第五开关，打开所述第三、第四、第六开关，所述第四、第六、第八电阻相连的一端通过第六开关输出所述双向采样电路的采样电压；或者

被采样电路的电流从输出端流向输入端时，通过选择控制信号使得所述放大器的第一输入端为负输入端，第二输入端为正输入端；打开所述第一、第二、第五开关，闭合所述第三、第四、第六开关，所述第三、第五、第七电阻相连的一端通过第五开关输出所述双向采样电路的采样电压。

本申请的另一方面还公开了一种双电池管理系统，采用前文所述的双向采样电路，对系统的双向电源的电流进行采样。

与现有技术相比，本申请至少具有以下有益效果：

1)当输入电流方向不同时，采用选择控制信号改变斩波放大器的极性，从而实现双向电流检测，电路结构简单、稳定。

2)偏移电压也相当于经过斩波调制，将其中携带的随温度引起的直流误差调制到高频，并经由系统滤除掉，使得其随温度变化的误差可以被忽略。

本申请的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本申请上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E的方案应当视为已经被记载。

附图说明

本申请通过所附的附图用示例形式展示。附图应当被理解为作为示例而非限制，本申请的范围是由权利要求所限定的。

图1示出了现有技术中双向采样电路的结构图；

图2示出了本发明一实施例中双向采样电路的连接图；

图3示出了本发明一实施例中双向采样电路的结构图；

图4示出了本发明一实施例中放大器的电路结构图；

图5示出了本发明另一实施例中双向采样电路的结构图；

图6示出了本发明一实施例中偏移电压产生电路的结构图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

实施例一

参考图2所示，本申请公开一种双向采样电路100，可以检测电流方向在第一输入端Vinp和第二输入端Vinn之间双向流动的电流，第一输入端Vinp和第二输入端Vinn之间接采样电阻Rsense，输出采样电压Vout。

参考图3所示，本实施例的双向采样电路，包括放大器110，第一至第八电阻R1a、R1b、R2a、R2b、R3a、R3b、R4a、R4b，第一至第四开关S1、S2、S3、S4：

所述第一电阻R1a的一端作为双向采样电路的第一输入端Vinp，连接被采样电路(未示出)的输入端，另一端连接所述放大器110的第一输入端Vin1及连接第三电阻R2a的一端，所述第三电阻R2a的另一端连接第五电阻R3a、第七电阻R4a的一端及通过第三开关S3连接输出端Vo；

所述第二电阻R1b的一端作为双向采样电路的第二输入端Vinn，连接被采样电路的输出端，另一端连接所述放大器110的第二输入端Vin2及连接第四电阻R2b的一端、所述第四电阻R2b的另一端连接第六电阻R3b、第八电阻R4b的一端及通过第四开关S4连接输出端Vo；

所述第七电阻R4a的另一端通过第一开关S1接地端；

所述第八电阻R4b的另一端通过第二开关S2接地端；

所述第五电阻R3a的另一端和所述第六电阻R3b的另一端连接所述放大器110的输出端Vomp；

所述放大器110连接选择控制信号Select。

本实施例中的放大器110为斩波放大器，斩波放大器110的电路结构参考图4所示，包括：第一至第九NMOS晶体管N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8、N9，第一至第第七PMOS晶体管P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7，电阻及电容。

第一NMOS晶体管N1的源极、第二NMOS晶体管N2的漏极连接正输入端VIP，第三NMOS晶体管N3的源极、第四NMOS晶体管N4的漏极连接负输入端，第一NMOS晶体管N1的漏极连接第三NMOS晶体管N3的漏极并连接至第五NMOS晶体管N5的栅极，第二NMOS晶体管N2的源极连接第四NMOS晶体管N4的源极连接至第六NMOS晶体管N6的栅极，第五、第六NMOS晶体管的漏极连接第七NMOS晶体管N7的源极，第七、第八、第九NMOS晶体管N7、N8、N9的栅极连接参考电流Iref，漏极连接地端，第八NMOS晶体管N8的源极连接参考电流Iref，第五NMOS晶体管N5的漏极连接第一PMOS晶体管P1的漏极、第四PMOS晶体管P4的漏极、第六PMOS晶体管P6的漏极，第六NMOS晶体管N6的漏极连接第二PMOS晶体管P2的漏极、第五PMOS晶体管P5的源极、第七PMOS晶体管P7的漏极，第九NMOS晶体管N9的漏极连接第三PMOS晶体管P3的漏极、第六PMOS晶体管P6的源极，第一、第二、第三PMOS晶体管P1、P2、P3的源极连接电源端VDD，第一、第二PMOS晶体管P1、P2的栅极相连并连接第四PMOS晶体管的源极、第五PMOS晶体管P5的漏极，第六PMOS晶体管P6的源极通过电阻、电容连接至输出端VOUT，第七PMOS晶体管P7的源极连接第三PMOS晶体管P3的栅极并连接至输出端VOUT。

通过时钟信号CLK、CLK_B控制晶体管，时钟信号CLK、CLK_B是一对反相的时钟信号，CLK、CLK_B、选择控制信号Select连接至控制电路1110，形成一对反相的时钟信号CLK_A、

需要说明的是，当选择控制信号Select使得第一跨导gm1前后的斩波电路具有相同的控制相位时，整体斩波运算放大器的输出Voamp与输入端Vin1相位相同，与输入端Vin2相位相反；当选择控制信号Select使得第一跨导gm1前后的斩波电路具有相反的控制相位时，整体斩波运算放大器的输出Voamp与输入端Vin1相位相反，与输入端Vin2相位相同。

在一实施例中，所述第一电阻R1a和第二电阻R1b的阻值相同，均为R1。

在一实施例中，所述第三电阻R2a和第四电阻R2b的阻值相同，均为R2。

在一实施例中，所述第五电阻R3a和第六电阻R3b的阻值相同，均为R3。

在一实施例中，所述第七电阻R4a和第八电阻R4b的阻值相同，均为R4。

采用如图3所述的双向采样电路，本实施例中还公开了一种双向采样方法，包括：

被采样电路的电流从输入端流向输出端时，通过选择控制信号select使得所述放大器110的第一输入端Vin1为正输入端，第二输入端Vin2为负输入端；闭合所述第一、第四开关S1、S4，打开所述第二、第三开关S2、S3，第一输入端Vinp作为整个系统的同相输入端，第二输入端Vinn作为整个系统的反相输入端，电路中节点Vo1通过第七电阻R4a接地电位，第八电阻R4b一端浮空，电路中与之对称的Vo2节点经过第四开关S4，作为整个系统的最终输出。

整个系统的增益主要与第一电阻R1a，第二电阻R1b，第三电阻R2a，第四电阻R2b，第七电阻R4a，第八电阻R4b有关，为了简化分析，选取第六电阻R3a，第七电阻R3b与第三电阻R2a，第四电阻R2b具有相同的阻值，即R3a＝R3b＝R3＝R2，假设选取的高精度斩波运算放大器110可视为理想的运放，则可以不考虑其输入端的失调电压，同时当增益非常高的斩波运算放大器110连接为反馈环路时，其输入端可以被视为虚短，即Vin1＝Vin2＝Vinamp，并假设运放的输出电压为Voamp，根据电路连接关系可得：

联立方程(1)，(2)可解出最终输出端电压Vo的表达式为：

被采样电路的电流从输出端流向输入端时，通过选择控制信号select使得所述放大器110的第一输入端Vin1为负输入端，第二输入端Vin2为正输入端；打开所述第一、第四开关S1、S4，闭合所述第二、第三开关S2、S3，第一输入端Vinp作为整个系统的反相输入端，第二输入端Vinn作为整个系统的同相输入端，电路中节点Vo2通过第八电阻R4b接地电位，电路中与之对称的Vo1节点经过第三开关S3，第七电阻R4a一端浮空，作为整个系统的最终输出。此时，根据电路连接关系，可列出如下方程组：

联立方程(4)，(5)可解出最终输出端电压Vo的表达式为：

通过上述公式(3)、(6)可知，当输入电流方向不同时，采用选择控制信号select改变斩波放大器110的极性，从而实现双向电流检测。

实施例二

参考图5所示，本申请的另一方面还公开了一种双向采样电路100’，包括第一放大器110’和第二放大器120’，所述第一放大器110’为斩波运算放大器，第二放大器120’为缓冲放大器，第一至第八电阻R1a、R1b、R2a、R2b、R3a、R3b、R4a、R4b、第一至第六开关S1、S2、S3、S4、S5、S6；

所述第一电阻R1a的一端作为双向采样电路的第一输入端Vinp，连接被采样电路(未示出)的输入端，另一端连接所述第一放大器110’的第一输入端Vin1及连接第三电阻R2a的一端，所述第三电阻R2a的另一端连接第五电阻R3a、第七电阻R4a的一端及通过第五开关S5连接输出端Vo；

所述第二电阻R1b的一端作为双向采样电路的第二输入端Vinn，连接被采样电路的输出端，另一端连接所述第一放大器110’的第二输入端Vin2及连接第四电阻R2b的一端、所述第四电阻R2b的另一端连接第六电阻R3b、第八电阻R4b的一端及通过第六开关S6连接输出端Vo；

所述第七电阻R3a的另一端通过第一开关S1连接第二放大器120’的输出端、通过第二开关S2接所述第二放大器120’的负输入端；

所述第八电阻R4b的另一端通过第三开关S3连接第二放大器120’的输出端、通过第二开关S2接所述第二放大器120‘’的负输入端；

所述第五电阻R3a的另一端和所述第六电阻R3b的另一端连接所述第一放大器110’的输出端；

所述第一放大器110’连接选择控制信号select；

所述第二放大器120’的正输入端连接偏移电压Vshift。

参考图6所示，所述偏移电压Vshift通过偏移电压产生电路200提供，高精度参考电压源300提供参考电压VREF至偏移电压产生电压200,。

采用如图5所述的双向采样电路，本实施例中还公开了一种双向采样方法，包括：

被采样电路的电流从输入端流向输出端时，通过控制信号使得所述放大器的第一输入端为正输入端，第二输入端为负输入端；闭合所述第一、第二、第五开关S1、S2、S5，打开所述第三、第四、第六开关S3、S4、S6，第一输入端Vinp作为整个系统的同相输入端，第二输入端Vinn作为整个系统的反相输入端，电路中节点Vo1通过第七电阻R4a接地电位，第八电阻R4b一端浮空，电路中与之对称的Vo2节点经过第四开关S4，作为整个系统的最终输出。

为了简化分析，选取第六电阻R3a，第七电阻R3b与第三电阻R2a，第四电阻R2b具有相同的阻值，即R3a＝R3b＝R3＝R2，假设选取的高精度斩波运算放大器110可视为理想的运放，则可以不考虑其输入端的失调电压，同时当增益非常高的斩波运算放大器110连接为反馈环路时，其输入端可以被视为虚短的，即Vin1＝Vin2＝Vinamp，并假设运放的输出电压为Voamp，根据电路连接关系，可列出如下方程组：

联立方程(7)，(8)可解出最终输出端电压Vo的表达式为：

被采样电路的电流从输出端流向输入端时，通过控制信号使得所述放大器的第一输入端为负输入端，第二输入端为正输入端；打开所述第一、第二、第五开关S1、S2、S5，闭合所述第三、第四、第六开关S3、S4、S6，第一输入端Vinp作为整个系统的反相输入端，第二输入端Vinn作为整个系统的同相输入端，电路中节点Vo2通过第八电阻R4b接地电位，电路中与之对称的Vo1节点经过第三开关S3，第七电阻R4a一端浮空，作为整个系统的最终输出。

此时，根据电路连接关系，可列出如下方程组：

联立方程(10)，(11)可解出最终输出端电压Vo的表达式为：

不论输入电流由的方向是正向还是反向，通过选择控制信号Select以及开关配置，始终使得与缓冲后的移位电平相接的“T”型反馈电阻网络处于正反馈回路，与之对称的另一“T”型反馈电阻网络输入端处于浮空状态，以保证整个系统的稳定性。正反馈回路输出端看到的阻抗等于电阻R1加电阻R2并联R4后在加电阻R3,负反馈回路输出端看到的阻抗等于电阻R1加电阻R2加电阻R3，负反馈输出端看到的阻抗始终大于正反馈输出端看到的阻抗，从而保证了系统的稳定。

需要说明的是，本申请还公开了一种双电池管理系统，采用如前文所述的双向电流采样电路，对系统的双电源的电流进行采样。

应当注意以上所描述的所有或者任一实施例可以彼此结合，除非另外声明或者此类实施例可能在功能上和/或架构上相互排斥。

虽然本申请与引用的特定示例实施例一起被描述，但是本申请并不仅限于于此描述的实施例，而是可以用在后附的权利要求的精神和范围内以修改或者变更的形式被实施。相应的，说明书和附图应被视为说明的意思而非限制的意思。

由上所述，应当注意到本申请特定的实施例在这里以示例为目的被描述，但是在不背离本申请范围的情况下可以做不同的修改。相应地，本申请除了后附的权利要求，并不被限制。

本领域技术人员在实施本申请时可以通过对于附图、公开的内容和权利要求的研究，了解并进行对于公开的实施例的其他改变。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他组件或步骤，并且不定冠词“一个”并不排除多个。即使特定的特征记载在不同的从属权利要求中，本申请也涉及具有共同的这些特征的实施例。任何在权利要求中的附图标记不应当被解释为限制范围。

不同实施例的特征和方面可以被整合到另外的实施例中，并且本文件所示的实施例可以在没有所有示例或者描述的特征或者方面的情况下实施。本领域技术人员会注意到，虽然本系统和方法的特定的示例和实施例为了示例目的而被描述，在不背离本申请的精神和范围的情况下可以做出不同的修改。此外，一个实施例的特征可以被包含到另一个实施例中，即使这些特征并未在本文件中在一个单一的实施例中被一起描述。相应地，本申请被所附的权利要求描述。

Claims

1.一种双向采样电路，其特征在于，包括放大器，第一至第八电阻、第一至第四开关：

所述第七电阻的另一端通过第一开关接地端；

所述第八电阻的另一端通过第二开关接地端；

所述放大器连接选择控制信号。

2.一种双向采样电路，其特征在于，包括第一和第二放大器，第一至第八电阻、第一至第六开关；

所述第一放大器连接选择控制信号；

所述第二放大器的正输入端连接偏移电压。

3.如权利要求1或2所述的双向采样电路，其特征在于，所述第一电阻和第二电阻的阻值相同。

4.如权利要求1或2所述的双向采样电路，其特征在于，所述第三电阻和第四电阻的阻值相同。

5.如权利要求1或2所述的双向采样电路，其特征在于，所述第五电阻和第六电阻的阻值相同。

6.如权利要求1或2所述的双向采样电路，其特征在于，所述第七电阻和第八电阻的阻值相同。

7.如权利要求2所述的双向采样电路，其特征在于，还包括偏移电压产生电路，所述偏移电压产生电路包括一端连接参考电压，另一端接地端的分压电阻串，从分压节点输出所述偏移电压。

8.一种双向采样方法，采用如权利要求1、2-6任意一项所述的双向采样电路，其特征在于，包括：

9.一种双向采样方法，采用如权利要求2-7任意一项所述的双向采样电路，其特征在于，包括：

10.一种双电池管理系统，其特征在于，采用如权利要求1-7中任意一项所述的双向采样电路，对系统的双向电源的电流进行采样。