CN1707951A - 开关电路和电压测量电路 - Google Patents

Abstract

一种开关电路包括：电容；组合电池，具有多个串联的单元电池，每个单元电池又包含电池；和多个切换开关，将每个单元电池的两端按顺序连接到每个电容。切换开关具有两个串联的、源－漏方向相反的半导体开关。

Description

开关电路和电压测量电路

技术领域

本发明涉及一种开关电路和电压测量电路，更为确切地说，涉及一种用于将串联的每个电池的两端连接至电容的开关电路和带有这种开关电路的电压测量电路。

背景技术

现已提出了如图5所示的上述型的相关开关电路(例如JP-A-11-248755和JP-A-2002-156392)。如图5所示，开关电路具有相对于多个串联的单元电池(unit cell)V₁-V_n的一个电容C以及用于相继将单元电池V₁-V_n的两端与电容C的两端连接起来的多个切换开关S₁-S_n+1。图5中的每个单元电池V₁-V_n均由一个电池(battery)组成。

切换开关S₁-S_n+1被设置成为n块单元电池V₁-V_n提供(n+1)个开关。更确切地说，单元电池V₁的正极端以及与其正极端连接的单元电池V₂的负极端通过共用切换开关S₂与电容C连接。此外，还提出了如图6所示的另一种开关电路，其中在每个单元电池V₁-V_n的两端各提供切换开关S₁-S_2n中的两个(例如JP-A-11-248757)。

在图5和图6示出的相关开关电路中，使用了继电器开关作为切换开关S₁-S_n+1和S₁-S_2n。但是，继电器开关在成本、尺寸、耐用性和响应速度方面上存在问题，因此，现在存在将在上述几个方面上表现出色的半导体开关作为切换开关S₁-S_n+1和S₁-S_2n的需求。

然而，由于在半导体开关的源-漏之间存在寄生二极管，所以即使在切换开关S₁-S_n+1和S₁-S_2n断开的时候，电流也可能会流经寄生二极管，因此，要使单元电池V₁-V_n和电容C之间完全绝缘是非常困难的。

发明内容

综上所述，本发明的目的是提供一种可适于采用在成本、尺寸、耐用性和响应速度等方面上表现出色的半导体开关的开关电路以及提供电压测量电路。

为了实现上述目的，根据本发明提供的开关电路包括：

电容；

组合电池，包含多个串联的单元电池，每个单元电池又包含电池；和

多个切换开关，将每个单元电池的两端按顺序连接至电容。

其中每个切换开关具有两个串联的、其源-漏方向相反的半导体开关。

在上面的配置中，半导体开关具有两个串联的、源-漏方向相反的半导体开关。

因此，通过在连接这两个半导体开关时使其源-漏方向相反，可使源-漏方向上生成的寄生二极管的正向定向成相反，所以在断开半导体开关时不会允许任何电流流经寄生二极管。

优选的情况是，一个单元电池的负极端和与其负极端连接的相邻单元电池的正极端通过共用切换开关连接至电容。

在根据本发明的开关电路的情况中，其中一个单元电池的负极端以及与其连接的相邻单元电池的正极端通过共用切换开关连接至电容，要求有双向电流流经该共用切换开关。因此，通过将两个以源-漏方向相反的方式连接起来的半导体开关用作切换开关，可使双向电流能够流经该共用切换开关，而且在断开该切换开关时还不会允许任何电流流经寄生二极管。

优选的情况是，开关电路还包括：第一逻辑电路，输出用于指示至少一个半导体开关的接通-断开的控制信号；和电平移动电路，对控制信号进行电平移动，并将经过电平移动的控制信号发送到至少一个半导体开关的栅极。

根据本发明，逻辑电路会输出用于指示半导体开关的接通-断开的控制信号。电平移动电路则对控制信号进行电平移动，并将经过电平移动的信号送到每个半导体开关的栅极。因此，对于在源极施加了高压的半导体开关的接通-断开，可以通过电平移动由低压系统的逻辑电路生成的控制信号来控制，从而不需要使用昂贵的光电MOS(PhotoMOS)。

优选的情况是，开关电路还包括：电阻元件：设置在相应半导体开关的源-栅之间；驱动电容，分别连接电阻元件的两端；和振荡电路，通过驱动电容在电阻元件的两端施加AC电压。

根据本发明，当振荡电路通过驱动电容向电阻元件施加AC电压时，会在半导体开关的源-栅之间施加偏置(Bias)，因此可以接通这两个半导体开关。按照上述的配置，在直流模式下，由于驱动电容使振荡电路能够与组合电池绝缘，所以振荡电路可以使用低压源作为电源，与组合电池不同。

优选的情况是，开关电路包括：驱动开关，设置在振荡电路和驱动电容之间；第二逻辑电路，输出用于指示驱动开关的接通-断开的控制信号。

根据本发明，当驱动开关接通时，振荡电路通过驱动电容给电阻元件施加AC电压。驱动开关的接通-断开由逻辑电路的控制信号进行控制。按照上述的配置，能够相对于多个切换开关只提供一个振荡电路。

优选的情况是，对于切换开关，与位于最高电压端的单元电池的正极端连接的半导体开关是P沟道型；而其他半导体开关是N沟道型。

根据本发明，切换开关的与位于最高电压端的单元电池的正极端连接的半导体开关是P沟道型，而其他半导体开关是N沟道型。因此，可以使用低价N沟道半导体开关，而不是与位于最高电压端的单元电池的正极端连接且如果不使用P沟道半导体开关则无法接通的半导体开关。

根据本发明，还提供了一个电压测量电路，包括：

开关电路；

电压测量单元，用于测量电容两端的电压；

测量开关，连接在电容两端与电压测量单元之间，

其中测量开关具有两个串联的、源-漏方向相反的半导体开关。

根据本发明，连接在电容两端和电压测量装置之间的测量开关具有两个串联的、源-漏方向相反的半导体开关。因此，通过在连接这两个半导体开关时使其源-漏方向相反，可使在源-漏方向上生成的寄生二极管的正向方向相反，所以在断开半导体开关时不会允许任何电流流经寄生二极管。

如上所述，根据本发明，通过在连接两个半导体开关时使其源-漏方向相反，可使在源-漏方向上生成的寄生二极管的正向方相反，所以在断开半导体开关时不会允许任何电流流经寄生二极管。从而，可以获得可将半导体开关用作切换开关的开关电路。

根据本发明，将两个源-漏方向相反的半导体开关用作切换开关使双向电流流经寄生二极管；而且，由于不允许电流流过，可以获得可将半导体开关用作切换开关的开关电路。

根据本发明，对于源极施加了高压的半导体开关，其接通-断开可以通过电平移动由低压系统的逻辑电路生成的控制信号进行控制，因此不需要使用昂贵的光电MOS，因此可得到以降低成本为设计目的开关电路。

根据本发明，由于在直流模式下振荡电路和组合电池由驱动电容绝缘，所以振荡电路可以使用低压源作为电源，与组合电池不同，从而可得到低价、高效而且构造简单的开关电路。

根据本发明，因为能够只提供相对于多个切换开关的一个振荡电路，所以可以获得构造简单且能够降低成本的开关电路。

根据本发明，由于可以使用低价N沟道半导体开关，而不是与位于最高电压端的单元电池的正极端连接且不使用P沟道半导体就无法接通的半导体开关，因此可得到能够降低成本的开关电路。

根据本发明，通过在连接两个半导体开关时使其源-漏方向相反，可使在源-漏方向上生成的寄生二极管的正向方向相反，所以在断开半导体开关时不会允许任何电流流经寄生二极管。因此，可以获得能够将半导体开关用作测量开关的电压测量电路。

附图说明

下面通过结合相应附图以及优选示例性实施例进行详细讲述，可以更加清楚地理解本发明的目的和优点，在附图中：

图1为电路图，示出了根据本发明的第一实施例的电压测量电路，其中包括用作开关电路的加速电容电路(flying capacitor circuit)。

图2为详细电路图，示出了组成图1中的电压测量电路的切换开关S₁₂-S_1(n+1)。

图3为详细电路图，示出了用于组成图1中的电压测量电路的切换开关S₁₁。

图4为电路图，示出了根据本发明的第二实施例的电压测量电路，其中包括用作开关电路的加速电容电路。

图5为电路图，示出了现有加加速电容电路的一个例子。

图6为电路图，示出了现有加速电容电路的一个例子

具体实施方式

第一实施例

下面参考附图讲述根据本发明的第一实施例的开关电路和电压测量电路。图1为电路图，示出了根据本发明的电压测量电路配置结构，其中包括一个用作开关电路的加速电容电路。如图1所示，该电压测量电路包含一个电容C，该电容相对于带有多个串联的单元电池V₁-V_n的组合电池，每个单元电池包含两个电池。

此外，该电压测量电路具有按顺序将每个单元电池V₁-V_n的两端与电容C的两端连接起来的多个切换开关S₁₁-S_1(n+1)和与切换开关S₁₁-S_1(n+1)串联连接的电阻R₁₁-R_1(n+1)。在这种情况下，为n个单元电池V₁-V_n提供了(n+1)个切换开关S₁₁-S_1(n+1)。切换开关S₁₁-S_1(n+1)和电容C组成切换开关。而且，电容C的两端与用于通过测量开关S₂₁和S₂₂测量电容C的充电电压的测量电路10连接。

下面介绍带有加速电容的电压测量电路的操作。首先，逻辑电路(未示出)接通切换开关S₁₁和S₁₂，以将单元电池V₁的两端连接至电容C的两端。这样，电容C的充电电压具有就对应于单元电池V₁两端的电压的值。然后逻辑电路断开切换开关S₁₁-S₁₂，以将单元电池V₁和电容C断开，因此测量电路10可以通过接通测量开关S₂₁和S₂₂来测量电容C的充电电压。单元电池V₁两端的电压可以通过测量电容C的充电电压来测量。

此外，逻辑电路接通切换开关S₁₂和S₁₃，以将单元电池V₂的两端连接到电容C的两端。在下文中，逻辑电路控制切换开关S₁₁和S_{(n +1)}以及测量开关S₂₁和S₂₂的接通-断开。因此，每个单元电池V₁-V_n的两端均按顺序地连接至电容C，从而，电容C的充电电压，即对应于单元电池V₁-V_n两端的电压的值可由测量电路10测量。

按照上面的操作，连接相应的单元电池V₁-V_n的切换开关S₁₂和S_1n中的每一个均由单元电池V₁-V_n中的两个单元电池共享。更具体地说，单元电池V₁的正极以及连接着其正极的单元电池V₂的负极通过共用切换开关S₁₂连接电容C。因此，双向电流流经单元电池V₁-V_n之间的切换开关S₁₂和S_1n。

下面参考图2和图3介绍上述切换开关S₁₁-S_1(n+1)的详细配置。图2为电路图，示出了切换开关S₁₂和S_1(n+1)中的切换开关S_m。而图3为电路图，示出了与具有最高电压的单元电池V₁的正极连接的切换开关S₁₁。

首先参考图2介绍切换开关S₁₂-S_1(n+1)。如图2所示，切换开关S_m由N沟道场效应晶体管(FET)Q1和Q2组成，作为串联的、源-漏方向相反的两个半导体开关。因此，在FETQ1和Q2的源-漏间产生了寄生二极管D1和D2，其正向方向相反。

FETQ1和Q2的栅极连接在晶体管Tr1的集电极和电阻Rb之间。晶体管Tr1的发射极通过电阻Ra和R_1(m-1)与单元电池V_m-1的正极连接和通过电阻Rc与其基极连接。另一方面，电阻Rb和单元电池V_m的负极连接

晶体管Tr1的基极通过电阻Rd和Re连接晶体管Tr2的集电极。晶体管Tr2的发射极接地，另外晶体管Tr2的基极通过电阻Rf连接逻辑电路(未示出)和通过电阻Rg与其发射极连接。

因此，当5V控制信号从5V系统的逻辑电路被施加到晶体管Tr2的基极时，晶体管Tr2接通。当晶体管Tr2接通时，电流分别流经R_{1(m -1)}、Ra、Rc、Rd和Re。由于电阻Rc中产生的电压，晶体管Tr1的发射极和基极之间施加了偏置，因此晶体管Tr1接通。

当晶体管Tr1接通时，单元电池V_m和单元电池V_m-1两端的总电压值通过电阻R_1(m-1)、电阻Ra和电阻Rb分压后的所产生的电压被施加在FETQ1和Q2的栅极上。因此在FETQ1和Q2的栅极施加了高于源极电压的偏置电压，从而使FETQ1和Q2接通。根据上面的介绍，显而易见电阻Ra-Rg以及晶体管Tr1和Tr2是用作电平移动电路，以对5V控制信号进行电平移动，并将经过电平移动的控制信号施加在FETQ1和Q2的栅极上。

现在参考图3介绍切换开关S₁₁。如图3所示，类似于切换开关S₁₂-S_1(n+1)的切换开关S₁₁由串联的、源-漏方向相反的两个P沟道FETQ1和Q2组成。因此，在FETQ1和Q2的源-漏间产生了寄生二极管D1和D2，其正向方向相反。

FETQ1和Q2的栅极连接在电阻Rh的一端与电阻Ri的一端之间。电阻Rh的另一端通过电阻R₁₁连接单元电池V₁，而电阻Ri的另一端通过晶体管Tr3的集电极-发射极接地。晶体管Tr3的基极通过电阻Rj连接逻辑电路(未示出)和通过电阻Rk与其发射极连接。

因此，当5V控制信号从5V系统的逻辑电路被施加在晶体管Tr3的基极时，晶体管Tr3接通。晶体管Tr3接通时，单元电池V₁正极的电压经过电阻R₁₁、电阻Rh和电阻Ri分压后所得的电压被施加在FETQ1和Q2的栅极上。因此在FETQ1和Q2上施加了低于源极的偏置电压，从而接通FETQ1和Q2。根据上面的介绍，显而易见电阻Rh-Rk以及晶体管Tr3是用作电平移动电路，以对5V控制信号进行电平移动，并将经过电平移动的控制信号施加在FETQ1和Q2的栅极上。

在上述带有加速电容的电压测量电路中，切换开关S₁₁-S_1(n+1)是由串联的、源-漏方向相反的FETQ1和Q2组成。因此，将FET用作切换开关S₁₁-S_1(n+1)可使双向电流通过。

此外，通过在连接两个FETQ1和Q2时使其源-漏方向相反，可使在各自源-漏方向上生成的寄生二极管D1和D2的正向方向相反。在FETQ1和Q2断开时，方向与其接通状态下的电流方向相反的电流均不能通过寄生二极管D1和D2，因此FETS₁₁-S_1(n+1)可用作切换开关，其是在成本、尺寸、耐用性和响应速度等方面均表现出色的半导体开关。

在上述的电压测量电路中，电平移动电路对控制信号进行电平移动，并将经过电平移动的控制信号施加在FETQ1和Q2的栅极。对于源极连接高压的FETQ1和Q2的接通-断开，能够由电平移动电路使用5V系统的逻辑电路生成的控制信号来进行控制，由此无需使用昂贵的光电MOS，从而使降低成本成为可能。

由于切换开关S₁₁的FETQ1和Q2连接具有最高电压的单元电池V₁的正极，施加在FETQ1和Q2的栅极的任何电压都不会高于其源极电压，因此不能使用N沟道FET。因此，与上述电压测量电路相似，切换开关S₁₁连接位于最高电压端的单元电池V₁的正极，其FETQ1和Q2使用昂贵的P沟道FET，而其他切换开关S₁₂-S_1(n+1)使用的则是N沟道FET，以降低成本。

在上述中，使用了FETQ1和Q2作为测量开关S₂₁和S₂₂，以使双向电流流经测量开关S₂₁和S₂₂。此外，和切换开关S₁₁-S_1(n+1)一样，通过将两个FETQ1和Q2按源-漏方向相反的方式连接起来，可使在源-漏方向上生成的寄生二极管D1和D2的正向方向相反。因此，即使在FETQ1和Q2处于断开状态的情况下，相反方向的电流也无法流过。

根据本发明的上述实施例，对于切换开关S₁₁和S_1(n+1)使用了两个串联的、源-漏方向相反的FETQ1和Q2。但是，因为只有单向电流流经切换开关S₁₁和S_1(n+1)，所以使用诸如晶体管的单向开关也是可以接受的。

第二实施例

现在参考附图介绍根据第二实施例的切换电路和电压测量电路。图4为电路图，示出了根据本发明的电压测量电路配置，其中带有用作开关电路的加速电容电路。参考图4，其中相同的标号表示与根据本发明的第一实施例的图1-3中相同或对应的部分，因此此处不再详细介绍。

本发明的第二实施例和第一实施例的差别在于前者提供了切换开关S₁₁-S_1(n+1)的驱动电路。根据本发明的第一实施例，组成切换开关S₁₁-S_1(n+1)的FETQ1和Q2栅极电压是将组合电池进行分压后得到的，而本发明的第二实施例则提供了如下安排。如图4所示，每个FETQ1和Q2的驱动电路都有设置在每个FETQ1和Q2的源-漏间的电阻Rdr(电阻元件)、设置在电阻Rdr两端的电容Cr1和Cr2(驱动电容)以及通过电容Cr1和Cr2在电阻Rdr两端施加上AC电压的振荡电路20。

而且，驱动电路具有驱动开关SW，设置在振荡电路20和电容Cr2之间，另外还具有逻辑电路30，用于输出用于指示驱动开关SW的接通-断开的控制信号。

下面介绍按上述方式配置的电压测量电路的驱动电路的操作。当逻辑电路30将控制信号发送到驱动开关SW时，驱动开关SW接通，AC电压被从振荡电路20施加在电阻Rdr两端。因此，FETQ1和Q2的源-栅间被施加了偏置，因此这两个FETQ1和Q2接通。另一方面，当逻辑电路30停止向驱动开关SW发送控制信号时，驱动开关SW断开，从而FETQ1和Q2也断开，因为提供AC电压的通路已经断开。

在上面的配置中，由于在直流模式下振荡电路20和组合电池被电容Cr1和Cr2绝缘，所以振荡电路20和逻辑电路30例如可以使用5V较低电压源作为电源，与组合电池不同。因此，例如振荡电路20和电容Cr2之间的驱动开关SW可以无需高压。

由于提供了用于接通或断开加在电阻Rdr上的AC电压的驱动开关SW以及用于控制驱动开关SW的逻辑电路30，从而能够对多个切换开关S₁₁-S_1(n+1)只提供一个振荡电路20，因此不需要为切换开关S₁₁-S_1(n+1)中的每一个提供振荡电路20。这样不仅可以简化配置，而且可以降低成本。

根据本发明的第二实施例，电容与电阻Rdr可以并联。在这样安排下，电阻Rdr和电容用作滤波器，防止FETQ1和Q2意外地被噪声等接通。

Claims (7)

1.一种开关电路，包括：

电容；

组合电池，具有多个串联的单元电池，每个单元电池包含电池；和

多个切换开关，将每个单元电池的两端按顺序地与电容连接，

其中每个切换开关具有两个被串联成使其源-漏方向相反的半导体开关。

2.如权利要求1所述的开关电路，其中，一个单元电池的负极端以及与所述一个单元电池的负极端连接的相邻单元电池的正极端通过共用切换开关与所述电容连接。

3.如权利要求1所述的开关电路，还包括：

第一逻辑电路，输出用于指示至少一个半导体开关的接通-断开的控制信号；和

电平移动电路，对控制信号进行电平移动，并将经过电平移动的控制信号发送到所述至少一个半导体开关的栅极。

4.如权利要求1所述的开关电路，还包括：

电阻元件，设置在相应半导体开关的源-栅之间；

驱动电容，分别连接电阻元件的两端；和

振荡电路，通过驱动电容向电阻元件的两端施加AC电压。

5.如权利要求4所述的开关电路，还包括：

驱动开关，设置在振荡电路和驱动电容之间；和

第二逻辑电路，输出用于指示驱动开关的接通-断开的控制信号。

6.如权利要求1所述的开关电路，其中，在切换开关中，与位于最高电压端的单元电池的正极端连接的半导体开关是P沟道型，而其他半导体开关是N沟道型。

7.一种电压测量电路，包括：

如权利要求1-6中的任一项所述的开关电路；

电压测量单元，测量电容两端的电压；和

测量开关，连接在电容的两端及电压测量单元之间；

其中测量开关具有两个被串联成使其源-漏方向相反的半导体开关。

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