CN111077937A - 一种适用于电池管理系统的单片机电源电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于电池管理系统的单片机电源电路，包括第一直流源、参考源、信号转换单元、电流镜电路单元以及参考源驱动单元；第一直流源的电压输出端以及参考源的参考电压输出端分别连接单片机的Vdda引脚；参考源驱动单元包括输出驱动器和由多个电阻串联组成的电阻串，输出驱动器的电流输出端连接参考源的电源输入端。信号转换单元用于将电压信号转换为电流信号，电流镜电路单元的电流流过参考源驱动单元中的电阻串，进一步经输出驱动器后为参考源提供工作电源，此时参考源即可向单片机的ADC供电。本发明能够根据精度和功耗需要为单片机ADC提供传统低功耗LDO输出电源供电或者由高精度参考源供电，能够实现低功耗、低温漂。
Description
技术领域
本发明涉及直流电源技术领域，特别是一种适用于电池管理系统的单片机电源电路。
背景技术
单片机的内部ADC的供电是由Vdda即一个模拟电源提供的，在精度要求不高的应用场景下，传统的低功耗的LDO（低压差线性稳压器）就可以给单片机Vdda引脚供电。但是在精度要求很高的场合，就必须采用高精度、低温漂的参考源作为单独的ADC reference 供电，传统的LDO无法满足精度要求。
但是由于参考源都是低压元器件，同时功耗很大，应用于功耗敏感的电池领域时就导致待机时间短的问题，例如电池管理系统，如果一直采用参考源作为单片机的电源，就会带来功耗问题，如果这个参考源还要用来作为驱动一些温敏电阻等的参考电源，功耗还会增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于电池管理系统的单片机电源电路，能够根据精度和功耗需要为单片机ADC提供传统LDO输出电源供电，或者由参考源供电，实现单片机电源电路的低功耗、低温漂。
本发明采取的技术方案为：一种适用于电池管理系统的单片机电源电路，包括第一直流源、参考源、信号转换单元、电流镜电路单元以及参考源驱动单元；单片机包括模拟电路电源引脚Vdda和驱动输出电平引脚；
第一直流源的电压输出端以及参考源的参考电压输出端分别连接单片机的Vdda引脚；
信号转换单元包括第一可控开关Q1和回路电阻R1；第一可控开关Q1的驱动输入端连接单片机的驱动输出电平引脚，回路电阻R1一端接地，另一端经第一可控开关Q1连接电流镜电路；
电流镜电路单元包括第二直流源、驱动输入端互连的第二可控开关Q2和第三可控开关Q3，以及镜像电阻R1和R2；两镜像电阻分别一端连接第二直流源，另一端分别对应连接Q2和Q3的电流输入端，Q2与Q3的电流输出端分别连接第一可控开关Q1的电流输入端和参考源驱动单元；
参考源驱动单元包括输出驱动器和由多个电阻串联组成的电阻串；电阻串一端连接Q3的电流输出端，另一端接地；输出驱动器的驱动输入端连接在电阻串与Q3的集电极之间，电流输出端连接参考源的电源输入端。
本发明中，第一直流源和第二直流源可采用普通的LDO直流电源，信号转换单元用于将电压信号转换为电流信号，电流镜电路单元的电流流过参考源驱动单元中的电阻串，进一步经输出驱动器后为参考源提供工作电源，此时参考源即可向单片机的ADC供电，同时可自动停止第一直流源的电源输出。
进一步的，参考源还包括使能端，单片机还包括参考源控制输出端，单片机通过参考源控制输出端向参考源传输使能控制信号。这种实施方式下，参考源只有在使能状态下才开始工作，可使得单片机能够自主根据精度需求选择LDO电源或参考源来供电，需要选择参考源时，即通过驱动输出电平引脚输出驱动电平的同时输出使能控制信号。
进一步的，参考源驱动单元还包括电压跟随电路，电压跟随电路包括第五可控开关Q5和第六电阻R6，Q5的电流输入端连接第二直流源，电流输出端连接R6的一端，驱动输入端连接在Q3的电流输出端与R4之间，R6的另一端接地。
可选的，第五可控开关Q5为NPN三极管或者NMOS管。当采用三极管时，其集电极即电流输入段，发射极即电流输出端，基极即驱动输入端。采用NMOS管时，其源极即电流输入段，漏极即电流输出端，栅极即驱动输入端。
可选的，Q1 、Q4和Q5采用NPN三极管，Q2和Q3采用PNP三极管。
可选的，Q1 采用NPN三极管，Q2和Q3采用PNP三极管，Q4和Q5采用NMOS开关管。Q4、Q5采用MOS管而非三极管，可避免当功耗电流很小的时候，无法为三极管基极提供足够的驱动电流。
可选的，Q1 、Q4和Q5采用N沟道MOS管，Q2和Q3采用P沟道MOS管。能够进一步降低功耗，提高驱动能力。
可选的，第一直流电源的输出端通过二极管D1连接单片机的Vdda引脚；参考源的输出电压Vref大于第一直流源经过二极管导通电压后的电压输出值，此时第一直流源将不再提供电流。。
可选的，Q2的电流输出端连接Q1的电流输入端以及Q2的控制输入端。
由于输出到参考源的电压数值与单片机输出的驱动电平Vpow_EN、电流镜电路单元中的电阻以及电阻串的电阻相关，因此调整R1, R2,R3,R5的电阻比值，就可以找到合适的电压给参考源供电，该电源的电压精度和温漂要求不高，比参考源的输出高200mV 到2V即可，可避免参考源发热而产生较大的温升。
有益效果
本发明能够根据精度和功耗需要为单片机ADC提供传统低功耗LDO输出电源供电或者由高精度参考源供电：在低功耗状态的时候由低功耗高压LDO经过一个二极管D1 给单片机供电；当用于功耗敏感及精度要求较高的场景，如电池管理系统中时，则产生一个可控的电源给参考源供电，从而启动参考源工作，由参考源输出的电源替代传统LDO电源，即使得单片机能够进行高精度的ADC的转换，整体上实现了单片机电源电路的低功耗和低温漂，能够满足单片机ADC的高精度需求。同时本发明通过采用MOS管作为可控开关，能够实现高精度ADC转换需求下的低温漂和低功耗。
附图说明
图1所示为本发明的一种实施例电路示意图；
图2所示为本发明的第二种实施例电路示意图；
图3所示为本发明的第三种实施例电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
本发明的发明构思为，通过单片机自身引脚输出一数字电平驱动，经一驱动电路为参考源提供工作电源，从而控制参考源的工作，使得参考源为单片机的模拟电路电源引脚提供低功耗低温漂的电源，以支持单片机的高精度ADC转换。无需高精度ADC转换时，单片机的模拟电路电源引脚仍可由传统LDO提供电源。
参考图1至图3，一种适用于电池管理系统的单片机电源电路，包括第一直流源Vdd_MCU、参考源Vref、信号转换单元、电流镜电路单元以及参考源驱动单元；单片机MCU包括模拟电路电源引脚Vdda和驱动输出电平引脚Vpoe_EN；
第一直流源的电压输出端以及参考源的参考电压输出端分别连接单片机的Vdda引脚；
信号转换单元包括第一可控开关Q1和回路电阻R1；第一可控开关Q1的驱动输入端连接单片机的驱动输出电平引脚，回路电阻R1一端接地，另一端经第一可控开关Q1连接电流镜电路；
电流镜电路单元包括第二直流源、驱动输入端互连的第二可控开关Q2和第三可控开关Q3，以及镜像电阻R1和R2；两镜像电阻分别一端连接第二直流源，另一端分别对应连接Q2和Q3的电流输入端，Q2与Q3的电流输出端分别连接第一可控开关Q1的电流输入端和参考源驱动单元；
参考源驱动单元包括输出驱动器和由多个电阻串联组成的电阻串；电阻串一端连接Q3的电流输出端，另一端接地；输出驱动器的驱动输入端连接在电阻串与Q3的集电极之间，电流输出端连接参考源的电源输入端。
本发明中，第一直流源和第二直流源可采用普通的LDO直流电源，信号转换单元用于将电压信号转换为电流信号，电流镜电路单元的电流流过参考源驱动单元中的电阻串，进一步经输出驱动器后为参考源提供工作电源，此时参考源即可向单片机的ADC供电，同时可停止第一直流源的电源输出。
实施例1
如图1所示，本实施例中，参考源还包括使能端，单片机还包括参考源控制输出端，单片机通过参考源控制输出端向参考源传输使能控制信号EN。这种实施方式下，参考源只有在使能状态下才开始工作，可使得单片机能够自主根据精度需求选择LDO电源或参考源来供电，需要选择参考源时，即通过驱动输出电平引脚输出驱动电平的同时输出使能控制信号。
参考源驱动单元还包括电压跟随电路，电压跟随电路包括第五可控开关Q5和第六电阻R6，Q5的电流输入端连接第二直流源，电流输出端连接R6的一端，驱动输入端连接在Q3的电流输出端与R4之间，R6的另一端接地。第五可控开关Q5为NPN三极管或者MOS管。当采用三极管时，其集电极即电流输入段，发射极即电流输出端，基极即驱动输入端。
本实施例中，Q1 、Q4和Q5采用NPN三极管，Q2和Q3采用PNP三极管。
第一直流电源的输出端通过二极管D1连接单片机的Vdda引脚；参考源的输出电压Vref大于第一直流源与所述二极管两端电压之间的电压差值。当单片机MCU具有单独的Vref引脚时，该引脚也可连接D1的输出端。
Q2的电流输出端连接Q1的电流输入端以及Q2的控制输入端。
由于输出到参考源的电压数值与单片机输出的驱动电平Vpow_EN、电流镜电路单元中的电阻以及电阻串的电阻相关，因此调整R1, R2,R3,R5的电阻比值，就可以找到合适的电压给参考源供电，该电源的电压精度和温漂要求不高，比参考源的输出高200mV 到2V即可，可避免参考源发热而产生较大的温升。
本发明的工作原理如下。
信号转换单元中Q1 、R1组成电流产生电路，电流 I=（Vpow_EN-Vbe_Q1)/R1，Vbe_Q1为Q1上的压降，Vpow_EN 的电平是单片机的数字电源的电平，一般为Vdd_MCU。通过选取R1 的值可以得到一个电流。
电流镜电路中，Q2、Q3、R2、R3组成电流镜，电流Io=Iin* R3/R2。
Q4的输出电压=Io*R5=（Vpow_EN-Vbe_O1)/R1* R3/R2* R5-Vbe_Q4，因此调整R1、R2、R3、R5的电阻比值，就可以找到合适的电压给参考源供电，该电源的电压精度和温漂要求不高，只要比参考源的输出高出200mV 到2V即可。Iin和Io的电流可以到10uA级别，在选择晶体管的时候只要保证电流放大倍数大于10就可以。
此外，R6、R7 提供一个偏置电流给Q4、Q5，可以很小。Io的输出支路上可以串更多的电阻，产生不同的电压输出。
参考源启动方式为：单片机输出Vpow_EN信号使电流镜电路产生电流Io，Q4导通，参考源模块接入电源Vdd；同时单片机输出EN信号控制参考源模块，使得参考源输出电压，Vdda由参考源供电。当需要低功耗时，用EN信号关闭参考源，单片机引脚Vdda由第一电源供电，但是电流镜的电流仍然存在，此时可以通过关闭POW_EN 信号关闭参考源相关的所有电路，系统的功耗更低。
在应用时，可通过控制Vpow_EN或者 EN的打开的占空比来控制电源和参考源的等效功耗，例如整个电路包括Vref后面的驱动电路和负载的电流为IQ，当使能的时间为Ton，关闭的时间是Toff，则整个电源的等效功耗电流 Ieff=IQ*Ton/(Ton+Toff)，例如打开10s，关闭30分钟，这等效功耗降低了180倍。
实施例2
参考图2所示，与实施例不同的是，本实施例中，Q1 采用NPN三极管，Q2和Q3采用PNP三极管，Q4和Q5采用NMOS开关管，可支持耗电流很小的的情况。
实施例3
参考图3所示，与实施例1和实施例2不同的是，Q1 、Q4和Q5采用N沟道MOS管，Q2和Q3采用P沟道MOS管。能够进一步降低功耗，提高驱动能力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种适用于电池管理系统的单片机电源电路，其特征是，包括第一直流源、参考源、信号转换单元、电流镜电路单元以及参考源驱动单元；单片机包括模拟电路电源引脚Vdda和驱动输出电平引脚；
第一直流源的电压输出端以及参考源的参考电压输出端连接单片机的Vdda引脚；
信号转换单元包括第一可控开关Q1和回路电阻R1；第一可控开关Q1的控制输入端连接单片机的驱动输出电平引脚，回路电阻R1一端接地，另一端经第一可控开关Q1连接电流镜电路；
电流镜电路单元包括第二直流源、驱动输入端互连的第二可控开关Q2和第三可控开关Q3，以及镜像电阻R1和R2；两镜像电阻分别一端连接第二直流源，另一端分别对应连接Q2和Q3的电流输入端，Q2与Q3的电流输出端分别连接第一可控开关Q1的电流输入端和参考源驱动单元；
参考源驱动单元包括输出驱动器和由多个电阻串联组成的电阻串；电阻串一端连接Q3的电流输出端，另一端接地；输出驱动器的驱动输入端连接在电阻串与Q3的集电极之间，电流输出端连接参考源的电源输入端。
2.根据权利要求1所述的适用于电池管理系统的单片机电源电路，其特征是，参考源还包括使能端，单片机还包括参考源控制输出端，单片机通过参考源控制输出端向参考源传输使能控制信号。
3.根据权利要求1或2所述的适用于电池管理系统的单片机电源电路，其特征是，参考源驱动单元还包括电压跟随电路，电压跟随电路包括第五可控开关Q5和第六电阻R6，Q5的电流输入端连接第二直流源，电流输出端连接R6的一端，驱动输入端连接在Q3的电流输出端与R4之间，R6的另一端接地。
4. 根据权利要求3所述的适用于电池管理系统的单片机电源电路，其特征是，Q1 、Q4和Q5采用NPN三极管，连接成射极跟随器形式，Q2和Q3采用PNP三极管。
5. 根据权利要求3所述的适用于电池管理系统的单片机电源电路，其特征是，Q1 采用NPN三极管，Q2和Q3采用PNP三极管，Q4和Q5采用NMOS开关管，连接成跟随器形式。
6. 根据权利要求3所述的适用于电池管理系统的单片机电源电路，其特征是，Q1 、Q4和Q5采用N沟道MOS管，Q2和Q3采用P沟道MOS管。
7.根据权利要求1或2所述的适用于电池管理系统的单片机电源电路，其特征是，第一直流电源的输出端通过二极管D1连接单片机的Vdda引脚；参考源的输出电压Vref大于第一直流源经过二极管导通电压后的电压输出值。
8.根据权利要求1或2所述的适用于电池管理系统的单片机电源电路，其特征是，Q2的电流输出端连接Q1的电流输入端以及Q2的控制输入端。
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