CN1835360A - 单浮动型电池单元电压电平转换器电路 - Google Patents

单浮动型电池单元电压电平转换器电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单浮动型电池单元电压电平转换器电路。该电压转换器电路可包括一个路径，该路径包括串联连接的第一电阻器、电流控制器件以及第二电阻器。电压转换器电路还可包括运算放大器，该运算放大器具有接受正电源电压的正电源端以及接受负电源电压的负电源端，其中正电源电压和负电源电压均不为地电压。第一电阻器还可耦合到将要被监测的电池单元的正端子。运算放大器可具有耦合到将要被监测的电池单元的负端子的输入端。电压转换器电路还可包括耦合到该路径在电流控制器件和第二电阻器之间的节点上的输出端。该输出端可被构造成向该电池单元提供参考地的电压。

Description

单浮动型电池单元电压电平转换器电路
技术领域
本发明涉及一种无线电气设备的电池组，并且更特别的是，涉及单浮动型电池单元电压电平转换器电路，其中该电路是该电池组的组件。
背景技术
各种无线电气设备可由电池组供电。这种无线电气设备的实例包括，但不局限于，膝上型计算机，蜂窝式电话(cell phone)，个人数字助理，以及诸如钻之类的电动工具。该电池组可包括多个电池单元和电源开关，从而使得电池单元或者提供电流(放电工作模式)或者被充电(充电工作模式)。通过电池组的电路可实现各种监测功能，从而维持电池组安全的和所期望的使用。作为这种以及其他监测操作的一部分，可监测每个电池单元的电池电压电平。所监测的电池电压电平可为浮动或者线-线电池电压。可在每个电池单元的正负端之间获得该浮动电压测量结果。某些情况下，希望将该浮动电池电压转换成参考地的电压。
将该浮动电池电压转换成参考地的电压的一个传统方案是，采用具有四个外部耦合电阻器的差动运算放大器。然而，对于具有两个或多个串联电池单元的电池组，这种传统的方案要求使用高压运算放大器来适应运算放大器的输入端之间相对大的电势差。与具有小于或者等于约5伏特的电源电压的低压运算放大器相比，高压运算放大器具有约10伏特到40伏特之间的电源电压，并且可具有更大的共模增益以及偏移电压误差。这些误差然后需要通过以复杂的校准工艺平衡所有的四个电阻器值来进行校正，这需要对四个电阻器中的至少一个进行精确调整。
因此，需要一种单浮动型电池电压电平转换器电路，其减小电压转换误差并简化校准。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供电压转换器电路，用于将电池单元的浮动电池电压转换到参考地的电池电压。该电压转换器电路可包括一个路径，该路径包括串联连接的第一电阻器、电流控制器件、以及第二电阻器。该电压转换器电路还可具有运算放大器，该运算放大器具有接受正电源电压的正电源端以及接受负电源电压的负电源端，正电源电压和负电源电压均不是地电压。该运算放大器还可具有第一输入端，该第一输入端耦合到该路径在第一电阻器和电流控制器件之间的第一节点上。第一电阻器还可耦合到将要被监测的电池单元的正端子上。该运算放大器可具有第二输入端，该第二输入端耦合到将要被监测的电池单元的负端子上。该电压转换器电路还可包括输出端，该输出端耦合到该路径在电流控制器件和第二电阻器之间的第二节点上。该输出端可被构造成当第一电阻器耦合到电池单元的正端子上并且该运算放大器的第二输入端耦合到该电池单元的负端子上时，为该电池单元提供参考地的电池电压。
本发明所述的电压转换器电路，所述运算放大器包括低压运算放大器，其中所述正电源电压减去所述负电源电压是差动电源电压，所述差动电源电压小于或者等于约5伏特。
本发明所述的电压转换器电路，所述运算放大器和所述电流控制器件构造成将所述运算放大器的所述第一输入端上的第一电压设定为等于所述运算放大器的所述第二输入端上的第二电压，所述第二电压还等于将要被监测的所述电池单元的负端子上的电压。
本发明所述的电压转换器电路，还包括浮动电源，该浮动电源被构造成提供所述正电源电压和所述负电源电压，其中所述运算放大器的所述第二输入端上的所述第二电压随着多个电池单元中要被检测的电池单元而变化，并且其中所述浮动电源响应将要被监测的所述电池单元而调整所述正电源电压和所述负电源电压，使得所述正电源电压大于所述运算放大器的所述第一输入端上的所述第一电压，并且所述负电源电压小于所述运算放大器的所述第二输入端上的所述第二电压。
本发明所述的电压转换器电路，所述浮动电源还被构造成提供所述正电源电压和所述负电源电压，使得所述正电源电压减去所述负电源电压来提供差动电源电压，所述差动电源电压小于或者等于约5伏特。
本发明所述的电压转换器电路，从所述浮动电池电压到所述参考地的电池电压的转换增益等于所述第二电阻器的值除以所述第一电阻器的值。
本发明所述的电压转换器电路，所述电流控制器件包括P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其具有响应所述运算放大器的输出的栅极端、耦合到所述第一节点的源极端、以及耦合到所述第二节点的漏极端。
根据本发明的另一方面，提供一种电池组。该电池组可包括多个电池单元、开关网络、以及电压转换器电路。该电压转换器电路可包括一个路径，该路径包括串联连接的第一电阻器、电流控制器件、以及第二电阻器。该电压转换器还可具有运算放大器，该运算放大器具有接受正电源电压的正电源端以及接受负电源电压的负电源端，正电源电压和负电源电压均不是地电压。该运算放大器还可具有第一输入端，该第一输入端耦合到该路径在第一电阻器和电流控制器件之间的第一节点上。第一电阻器还可通过开关网络耦合到将要被监测的多个电池单元的一个电池单元的正端子上。该运算放大器可具有第二输入端，该第二输入端耦合到将要被监测的所述一个电池单元的负端子上。该电压转换器电路还可包括输出端，该输出端耦合到该路径在电流控制器件和第二电阻器之间的第二节点上。该输出端可被构造成当第一电阻器耦合到所述一个电池单元的正端子上并且该运算放大器的第二输入端耦合到所述一个电池单元的负端子上时，为所述一个电池单元提供参考地的电池电压。
本发明所述的电池组，所述运算放大器包括低压运算放大器，其中所述正电源电压减去所述负电源电压是差动电源电压，所述差动电源电压小于或者等于约5伏特。
本发明所述的电池组，所述运算放大器和所述电流控制器件被构造成将所述运算放大器的所述第一输入端上的第一电压设定为等于所述运算放大器的所述第二输入端上的第二电压，所述第二电压还等于将要被监测的所述一个电池单元的负端子上的电压。
本发明所述的电池组，所述电压转换器电路还包括浮动电源，该浮动电源被构造成提供所述正电源电压和所述负电源电压，其中所述运算放大器的所述第二输入端上的所述第二电压随着所述多个电池单元中要被监测的电池单元而变化，并且其中所述浮动电源响应所述多个电池单元中要被监测的电池单元来调整所述正电源电压和所述负电源电压，使得所述正电源电压大于所述运算放大器的所述第一输入端上的所述第一电压，并且所述负电源电压小于所述运算放大器的所述第二输入端上的所述第二电压。
本发明所述的电池组，所述浮动电源还被构造成提供所述正电源电压和所述负电源电压，使得所述正电源电压减去所述负电源电压来提供差动电源电压，所述差动电源电压小于或者等于约5伏特。
根据本发明的又一方面，提供一种将电池单元的浮动电池电压转换到参考地的电池电压的方法。该方法可包括：将运算放大器的第一输入端上的第一电压设定为等于该运算放大器的第二输入端上的第二电压，该第二电压还等于将要被监测的多个电池单元的一个电池单元的负端子上的电压，该运算放大器具有接受正电源电压的正电源端以及接受负电源电压的负电源端，该正电源电压和负电源电压均不是地电压；响应运算放大器的输出，通过控制电流控制器件来控制流过一路径上的电流，该路径包括串联连接的第一电阻器、电流控制器件、以及第二电阻器；以及当第一电阻器耦合到所述一个电池单元的正端子并且运算放大器的第二输入端耦合到所述一个电池单元的负端子上时，在输出端上提供参考地的电池电压，其中该输出端耦合到该路径在电流控制器件和第二电阻器之间的第二节点。
本发明所述的转换电池单元的浮动电池电压为参考地的电池电压的方法，还包括：提供所述正电源电压到所述运算放大器的所述正端子上；以及提供所述负电源电压到所述运算放大器的所述负端子上，并且其中所述正电源电压减去所述负电源电压是差动电源电压，所述差动电源电压小于或者等于约5伏特。
本发明所述的转换电池单元的浮动电池电压为参考地的电池电压的方法，所述第二电压响应所述多个电池单元中要被监测的电池单元而变化，并且其中所述方法还包括：响应所述多个电池单元中要被监测的电池单元来调整所述正电源电压，使得所述正电源电压大于所述运算放大器的所述第一输入端上的所述第一电压；以及响应所述多个电池单元中要被监测的电池单元来调整所述负电源电压，使得所述负电源电压小于所述运算放大器的所述第二输入端上的所述第二电压。
本发明所述的转换电池单元的浮动电池电压为参考地的电池电压的方法，还包括：调整所述正电源电压和所述负电源电压，使得所述正电源电压减去所述负电源电压为差动电源电压，所述差动电源电压小于或者等于约5伏特。
本发明所述的转换电池单元的浮动电池电压为参考地的电池电压的方法，从所述浮动电池电压到所述参考地的电池电压的转换增益等于所述第二电阻器的值除以所述第一电阻器的值。
附图说明
参考附图，通过在后面进行详细说明，所要求保护的主题的实施例的特点和优点将更加清楚，其中相同的附图标记表示相同的部件，并且其中：
图1A是具有电池组的无线电气设备的框图，其中该电池组具有根据本发明的电压转换器电路；
图1B示出当运算放大器的输入电压随着所选择的电池单元改变时图1A的运算放大器的电源电压的示意曲线图；
图2是图1的电压转换器电路的一个实施例的电路图；以及
图3是根据本实施例的操作流程图。
具体实施方式
尽管将参考说明性的实施例来进行下面的详细说明，但是其许多替换、修正以及变形对于本领域技术人员均是明显的。因此，其旨在更宽地解释所要求保护的主题。
图1A示出具有电池组102的无线电气设备100，该电池组102可在电池供电模式中为负载104供电。负载104可表示耦合到电池组102的VPACK+端108和VPACK-端116的设备100的全部负载。无线电气设备100可包括但不局限于，膝上型计算机，蜂窝式电话，个人数字助理，以及例如钻、圆锯、打磨器等的电动工具。在一个实施例中，当无线电气设备是电动工具时，负载104是该电动工具本身。除了在电池供电模式中为负载104供电以外，电池组102还在电池充电模式中由例如ACDC适配器的DC电源(未示出)进行再充电。电池组102可包括充电和放电开关124，从而便于电池组102工作在电池供电模式和电池充电模式。
电池组102可包括一个或多个电池单元108，开关网络106，微控制器118，以及根据本发明的电压转换器电路130。该电池单元108可为例如锂离子电池的任何类型的化学电池。开关网络106可响应来自例如微控制器118的各种来源的控制信号，来选择电池单元108中的一个以耦合到电压转换器电路130上。微控制器118还可接收并且执行来自功率调节控制器124的指令，其中该功率调节控制器124可包括将哪个电池单元耦合到电压电平转换器电路130上的指令。微控制器118还可控制充放电开关124的状态。
总的来说，电压转换器电路130可将浮动电池单元电压转换为参考地的电压。电压转换器电路130可包括路径103，该路径包括串联连接的第一电阻器R1，电流控制器件(CCD)172(以晶体管实现)以及第二电阻器R2。电压转换器电路130还可包括运算放大器110和输出端142。运算放大器110可为低压运算放大器，并且在后面将其称为低压运算放大器。低压运算放大器具有等于约5伏特或者更低的电源电压。例如，低压放大器可具有接受正电源电压Vamp+的正电源端以及接受负电源电压Vamp-的负电源端。由于浮动电源的正电源电压不为地电压，其负电源电压也不为地电压，因此低压运算放大器可以使正电源电压减去负电源电压的差动电源电压电平小于或者等于约5伏特。例如，如果V1是正电源电压并且V2是负电源电压，V1和V2可具有可变的电平，V1可大于V2，并且V1-V2可小于或者等于约5伏特。在一个实施例中，低压浮动电源电压可为3.3伏特。相反，对于V1或者Vamp+，传统运算放大器可具有固定电压，并且V2或者Vamp-可为地(0)电势。低压运算放大器110也可为高精度、高增益、低偏移量的浮动电源运算放大器。高增益表示增益大于120dB。
运算放大器110可具有耦合到路径103的第一电阻器R1和电流控制器件172之间的第一节点138上的第一输入端。第一电阻器R1还可通过开关网络106耦合到将要被监测的电池单元的正端子上。运算放大器110可具有通过开关网络106耦合到将要被监测的电池单元的负端子上的第二输入端。
输出端142可耦合到该路径103的电流控制器件172和第二电阻器R2之间的第二节点140上。输出端142可构造成当第一电阻器R1通过开关网络106耦合到被监测的电池单元的正端子并且运算放大器110的第二输入端通过开关网络106耦合到被监测的电池单元的负端子时，为被监测的电池单元提供参考地的电池电压。
一旦耦合到将要被监测的特定电池单元，浮动电池电压将设定为第一电阻器两端的电压，这是因为由运算放大器110和电流控制器件172形成的作用回路(reaction loop)将驱动运算放大器110的第一输入电压，使其设定在与第二输入电压电平相同的电压电平上，即，当前选择的电池单元的负端子上的电压或者Vcell-。因此，浮动电池电压在输出端142上转换成参考地的电压。由于同样的电流流过第一电阻器R1和第二电阻器R2，因此转换增益，即被转换的电压(电阻器R2两端的电压)与电池电压(电阻器R1两端的电压)之间的比由第二电阻器的值除以第一电阻器的比值R2/R1所给定。比值R2/R1可依据特定的应用进行选择。例如，如果将参考地的电池电压提供给具有1伏特满刻度(full scale)范围的参考地的模数转换器(ADC)并且最大电池单元电压是4伏特，R2/R1比值可为1∶4。对于同样的最大电池单元电压，如果ADC具有4伏特满刻度范围，那么R2/R1比值可为1∶1。
转到图1B，示出的是图1A的运算放大器的正电源电压和负电源电压随着运算放大器110的输入电压响应所选择的电池单元而改变的时间上的示意曲线图。如前所述，当转换特定单元的电池单元电压时，运算放大器110的两个输入端将保持在相同的电压电平上。尤其是，该电压电平可以是被监测电池单元的负端子上的电压电平即曲线190所示的Vcell-。当所测量的电池单元设置在串联连接的一组电池单元中较高的位置时，曲线190的电压电平增加，这是因为它是在所监测电池单元之下的所有电池单元电压的总和。例如，在时刻t1，t2和t3时，所选择的电池单元可改变，以将Vcell-增加相应的量。
为了采用低压运算放大器，运算放大器110正电源端上的正电源电压(Vamp+)以及运算放大器110的负电源端上的负电源电压(Vamp-)需要响应多个电池单元108中将要被监测的那个电池单元而进行调节。由曲线192所表示的正电源电压Vamp+可被调节为随着运算放大器110的相关输入电压的改变，保持正电源电压大于该相关输入电压，在本例子中，该相关输入电压是Vcell-。例如，当Vcell-由于所选择的电池单元的改变在时刻t1增加时，曲线192也增加，这样使得正电源电压Vamp+大于运算放大器110的相应输入，即这种情况下的Vcell-。
由曲线194所表示的负电源电压Vamp-也可调节为保持负电源电压小于运算放大器110的相关输入电压，该相关输入电压在这种情况下也等于Vcell-。曲线190和194之间的第一差值dV1和曲线192和190之间的第二差值dV2应选择为足够小，以使得由第三差值dV3所表示的运算放大器110的电源电压保持为低压范围，例如，等于或者小于约5伏特。
图2是根据图1的电路130的电压转换器电路130的一个实施例130a的电路图，其更详细的示出以图1B的曲线工作的低压运算放大器110的浮动电源电路。图2还示出包括四个电池单元的电池单元的一个实施例108a以及开关网络106的一个实施例106a。与图1的电压转换器电路130相比，该电压电平转换器电路130a还可包括用作电流控制器件172的P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)晶体管Q1。MOSFET Q1的控制端即栅极端接收运算放大器110的输出信号。MOSFET Q1的源极端通过第一节点138耦合到第一电阻器R1。MOSFET Q1的漏极端通过第二节点140耦合到第二电阻器R2。在该实施例中，由于P沟道MOSFET用作晶体管Q1，因此运算放大器110具有耦合到被监测的电池单元的负端子Vcell-的非反相输入端，以及通过节点138耦合到MOSFET Q1的源极的反相输入端。
电池单元108a的每个单元的各个浮动电池电压电平可通过开关网络106a由电压转换器电路130a进行监测。然后，所监测的浮动电池电压电平可由电压转换器电路130a转换到参考地的电压电平。例如，当第一单元(CELL1)将要由电压电平转换器电路130a进行监测时，开关网络106a的开关SW1和SW2闭合，同时所有其他的开关保持打开。图2的开关网络106a中示出了这些开关的状态。这样，第一单元(CELL1)的正端子通过开关SW1耦合到路径103的第一电阻器R1上。另外，第一单元(CELL1)的负端子可通过开关SW2和路径204耦合到运算放大器110的非反相输入端。开关网络106a的所有开关都保持这些状态，直到第一单元(CELL1)的浮动电池电压转换到参考地的电压完成为止。
当第二单元(CELL2)将要由电压转换器电路130a监测时，开关SW3和SW4闭合，同时开关网络106a的其他开关保持打开。当第三单元(CELL3)将要由电压电平转换器电路130a监测时，开关SW5和SW6闭合，同时开关网络106a的其他开关保持打开。最后，当第四单元(CELL4)将要由电压电平转换器电路130a监测时，开关SW7和SW8闭合，同时开关网络106a的其他开关保持打开。
另外，电压转换器电路130a的浮动电源电路可响应多个电池单元108a中选为被监测的那个电池单元而将提供给运算放大器110的正和负端子的Vamp+和Vamp-电源电压调节到适当的电平，如图1B所示。这些适当的电平可使得Vamp+大于运算放大器110反相输入端上的输入电压，Vamp-小于运算放大器110的非反相输入端上的输入电压，并且差动电源电压(Vamp+减去Vamp-)等于小于或等于约5伏特的低压电平。
在图2的实施例中，浮动电源电路可包括：第一调压器件例如第一齐纳二极管DZ1、第一电流源191、第一晶体管T1，第二调压器件例如第二齐纳二极管DZ2、第二电流源195、以及第二晶体管T2。第一齐纳二极管DZ1的阴极连接到当前选择的电池单元的负端子上。电流源191设定通过第一齐纳二极管DZ1驱动的内部电流I1，以使第一齐纳二极管DZ1两端的电压等于图2所示的Vz1。第一齐纳二极管DZ1的阳极连接到适当选择的电源晶体管T1的控制端。在该实施例中，晶体管T1可为P沟道MOSFET。MOSFET T1的源极端连接到运算放大器110的负电源端，同时MOSFET T1的漏极端接地。如本领域技术人员所能计算的，负电源电压Vamp-可近似在方程式(1)中给出：
(1)Vamp-＝(Vcell-)-Vz1+Vth1；
其中Vcell-是当前测量的电池单元的负端子上的电压，Vz1是第一齐纳二极管DZ1上的电压降，并且Vth1是晶体管T1的阈值电压(源极到栅极电压)。第一齐纳二极管DZ1、电流源191、以及晶体管T1可这样进行设计：Vz1＞Vth1，其中Vz1-Vth1可表示为dV1，这样方程式(1)可改写成Vamp-＝(Vcell-)-dV1。因此，值dV1(例如，其等于图1B的dV1)可这样进行选择，使得提供给运算放大器110的负电源电压Vamp-可设定为小于输入电压(Vcell-)的期望量。例如，如果Vz1＝4V且Vth1＝1V，那么Vamp-＝(Vcell-)-3V。
同样，第二齐纳二极管DZ2的阳极可连接到节点212上，该节点212进一步连接到运算放大器110的负电源端。第二电流源195可从电池组108a的最正端子推动电流I2。因此，第二齐纳二极管DZ2的电压降为Vz2。第二齐纳二极管DZ2的阴极可耦合到第二适当选择的晶体管T2的控制端上。在图2的实施例中，晶体管T2可为n沟道MOSFET。MOSFET T2的源极端可连接到运算放大器110的正电源端，同时MOSFET T2的漏极可连接到电池组的最正端子上。提供给运算放大器110的正电源端的正电源电压电平Vamp+可近似在方程式(2)中给出：
(2)Vamp+＝(Vamp-)+Vz2-Vth2；
其中Vz2是第二齐纳二极管DZ2的电压降，并且Vth2是晶体管T2的阈值电压(栅极到源极电压)。将Vamp-的表达式从方程式(1)带入方程式(2)，方程式(2)可改写为：
(3)Vamp+＝(Vcell-)-Vz1+Vth1+Vz2-Vth2
因此，通过适当地设计第二齐纳二极管DZ2和第二晶体管T2并且设定电流I2的值，运算放大器110的正电源电压电平Vamp+可调节为大于其输入电压(Vcell-)。例如，如果Vz2＝6V并且Vth2＝1V同时Vz1和Vth1保持先前的值，那么采用方程式(3)将Vamp+近似等于(Vcell-)-4V+1V+6V-1V＝(Vcell-)+2V。换句话说，+2V在该例子中等于图1B中的dV2。因此，提供给运算放大器110的有效差动电源电压(图1B的dV3)是[Vamp+]-[Vamp-]，即[(Vcell-)+2V]-[(Vcell-)-3V]＝5V。
除了图2的浮动电源电路以外，本领域技术人员应该知道符合本发明的提供Vamp+和Vamp-给低压运算放大器110的其他实施例。例如，MOS晶体管或者串联连接的MOS晶体管组，其中每个晶体管为二极管结构(栅极连接到漏极上)，可用于实现上述的调压器件DZ1、DZ2。同样，双极型PNP晶体管可用作晶体管T1和/或双极型NPN晶体管可用作晶体管T2，在这种情况下的每个阈值电压是基极-发射极电压Vbe≈0.7V。
在工作中，当一个单元将要由电压转换器电路130a监测时，开关网络106a的相关开关将相应的单元连接到电压转换器电路上。例如，如果第一单元(CELL1)将要被监测，那么开关网络106a的开关SW1和SW2闭合，同时其他开关打开，从而将第一单元的正端子连接到路径103的第一电阻器R1上。另外，第一单元(CELL1)的负端子可通过开关SW2和路径204耦合到运算放大器110的非反相输入端。第一单元(CELL1)的浮动电池电压然后被设定为第一电阻器R1两端的电压。运算放大器110控制通过MOSFET Q1和电阻器R1和R2的电流，从而在输出端142将浮动电池单元电压转换为参考地的电压。转换增益仅取决于第一电阻器R1和第二电阻器R2的比值，即R2/R1。
在运算放大器110的非反相输入端和反相输入端之间公共的任意电压称作共模电压。理论上理想的差动运算放大器具有零共模增益。然而，实际上的运算放大器具有某些共模增益，并且共模抑制比(CMRR)可用于相对差动增益量化共模增益。CMRR比可以是运算放大器的一个性能度量，并且表示为差动电压增益除以共模增益。低压运算放大器110的CMRR可以相当高，例如，大于70dB，这样运算放大器110的共模抑制可用于抑制共模电压。
图3是根据将电池单元的浮动电池电压转换为参考地的电池电压的实施例的操作300的流程图。操作302包括设定运算放大器第一输入端上的第一电压等于运算放大器第二输入端上的第二电压，第二电压还等于将要被监测的多个电池单元中的一个电池单元的负端子上的电压。该运算放大器具有接受正电源电压的正电源端以及接受负电源电压的负电源端，该正电源电压和负电源电压均不是地电压。操作304可包括响应于运算放大器的输出，通过控制电流控制器件来控制流过一路径的电流，该路径包括串联连接的第一电阻器、电流控制器件、以及第二电阻器。最后，操作306可包括当第一电阻器耦合到电池单元的正端子并且运算放大器的第二输入端耦合到电池单元的负端子上时，在输出端上提供参考地的电池电压，其中该输出端耦合到该路径在电流控制器件和第二电阻器之间的第二节点上。
其他的操作可包括提供正电源电压给运算放大器的正端子，以及提供负电源电压给运算放大器的负电源端，其中正电源电压减去负电源电压是小于或者等于约5伏特的差动电源电压。正电源电压电平和负电源电压电平可响应将要被监测的那个电池单元而进行调节，从而使得正电源电压大于运算放大器第一输入端上的第一电压，负电源电压小于运算放大器第二输入端上的第二电压，并且差动电源电压仍然小于或者等于约5伏特。在一个实施例中，提供正电源电压和负电源电压以及调节这些电压的方法可由图2的浮动电源电路实现，该电路包括第一调压器件例如第一齐纳二极管DZ1、第一电流源191、第一晶体管T1、第二调压器件例如第二齐纳二极管DZ2、第二电流源195、以及第二晶体管T2，如前所述。
有利的是，由此提供了一种单浮动电池电压电平转换器电路，其减小了电压转换误差并且简化了校准。更少的外部电阻器导致节省了元件成本，并且在重视空间的环境中节省了空间。另外，在转换过程中的共模误差，尤其是在一个宽的温度范围内，难于控制和量化。图1和2的电压电平转换器电路的实施例完全消除了共模误差。仅有的误差是电压偏移误差和增益误差，这些通过使用低压运算放大器110而极大地减小，并且相对更容易地用微控制器校准进行补偿。另外，电压偏移误差和增益误差在宽的温度范围内相对更容易地预知。
本文中使用的术语和措辞用作说明书的术语，但不构成限定。在这些术语和措辞的使用中，无意排除示出和描述的特征的任何等同物(或者其部分)，并且应该知道在权利要求的范围内可进行各种变形。其他的变形、变化和替换均是可以的。

Claims (17)

1.一种电压转换器电路，用于将电池单元的浮动电池电压转换成参考地的电池电压，其特征在于，所述电压转换器电路包括：
包括串联连接的第一电阻器、电流控制器件、以及第二电阻器的路径；
运算放大器，该运算放大器具有接受正电源电压的正电源端子以及接受负电源电压的负电源端子，所述正电源电压和所述负电源电压均不为地电压，所述运算放大器还具有耦合到所述路径在所述第一电阻器和所述电流控制器件之间的第一节点上的第一输入端，所述第一电阻器还耦合到将要被监测的所述电池单元的正端子上，所述运算放大器具有耦合到将要被监测的所述电池单元的负端子上的第二输入端；以及
输出端，该输出端耦合到所述路径在所述电流控制器件和所述第二电阻器之间的第二节点上，所述输出端构造成当所述第一电阻器耦合到所述电池单元的所述正端子并且所述运算放大器的所述第二输入端耦合到所述电池单元的所述负端子时，为所述电池单元提供参考地的电池电压。
2.根据权利要求1所述的电压转换器电路，其特征在于，所述运算放大器包括低压运算放大器，其中所述正电源电压减去所述负电源电压是差动电源电压，所述差动电源电压小于或者等于5伏特。
3.根据权利要求1所述的电压转换器电路，其特征在于，所述运算放大器和所述电流控制器件构造成将所述运算放大器的所述第一输入端上的第一电压设定为等于所述运算放大器的所述第二输入端上的第二电压，所述第二电压还等于将要被监测的所述电池单元的负端子上的电压。
4.根据权利要求3所述的电压转换器电路，其特征在于，还包括浮动电源，该浮动电源被构造成提供所述正电源电压和所述负电源电压，其中所述运算放大器的所述第二输入端上的所述第二电压随着多个电池单元中要被检测的电池单元而变化，并且其中所述浮动电源响应将要被监测的所述电池单元而调整所述正电源电压和所述负电源电压，使得所述正电源电压大于所述运算放大器的所述第一输入端上的所述第一电压，并且所述负电源电压小于所述运算放大器的所述第二输入端上的所述第二电压。
5.根据权利要求4所述的电压转换器电路，其特征在于，所述浮动电源还被构造成提供所述正电源电压和所述负电源电压，使得所述正电源电压减去所述负电源电压来提供差动电源电压，所述差动电源电压小于或者等于5伏特。
6.根据权利要求3所述的电压转换器电路，其特征在于，从所述浮动电池电压到所述参考地的电池电压的转换增益等于所述第二电阻器的值除以所述第一电阻器的值。
7.根据权利要求1所述的电压转换器电路，其特征在于，所述电流控制器件包括P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，其具有响应所述运算放大器的输出的栅极端、耦合到所述第一节点的源极端、以及耦合到所述第二节点的漏极端。
8.一种电池组，其特征在于，该电池组包括：
多个电池单元；
开关网络；以及
电压转换器电路，该电压转换器电路包括：
一路径，该路径包括串联连接的第一电阻器、电流控制器件以及第二电阻器；
运算放大器，该运算放大器具有接受正电源电压的正电源端子以及接受负电源电压的负电源端子，所述正电源电压和所述负电源电压均不为地电压，所述运算放大器还具有耦合到所述路径在所述第一电阻器和所述电流控制器件之间的第一节点上的第一输入端，所述第一电阻器还通过所述开关网络耦合到将要被监测的所述多个电池单元中的一个电池单元的正端子，所述运算放大器具有耦合到将要被监测的所述一个电池单元的负端子上的第二输入端；以及
输出端，该输出端耦合到所述路径在所述电流控制器件和所述第二电阻器之间的第二节点上，所述输出端被构造成当所述第一电阻器耦合到所述一个电池单元的所述正端子并且所述运算放大器的所述第二输入端耦合到所述一个电池单元的所述负端子时，为所述一个电池单元提供所述参考地的电池电压。
9.根据权利要求8所述的电池组，其特征在于，所述运算放大器包括低压运算放大器，其中所述正电源电压减去所述负电源电压是差动电源电压，所述差动电源电压小于或者等于5伏特。
10.根据权利要求8所述的电池组，其特征在于，所述运算放大器和所述电流控制器件被构造成将所述运算放大器的所述第一输入端上的第一电压设定为等于所述运算放大器的所述第二输入端上的第二电压，所述第二电压还等于将要被监测的所述一个电池单元的负端子上的电压。
11.根据权利要求10所述的电池组，其特征在于，所述电压转换器电路还包括浮动电源，该浮动电源被构造成提供所述正电源电压和所述负电源电压，其中所述运算放大器的所述第二输入端上的所述第二电压随着所述多个电池单元中要被监测的电池单元而变化，并且其中所述浮动电源响应所述多个电池单元中要被监测的电池单元来调整所述正电源电压和所述负电源电压，使得所述正电源电压大于所述运算放大器的所述第一输入端上的所述第一电压，并且所述负电源电压小于所述运算放大器的所述第二输入端上的所述第二电压。
12.根据权利要求10所述的电池组，其特征在于，所述浮动电源还被构造成提供所述正电源电压和所述负电源电压，使得所述正电源电压减去所述负电源电压来提供差动电源电压，所述差动电源电压小于或者等于5伏特。
13.一种转换电池单元的浮动电池电压为参考地的电池电压的方法，其特征在于，该方法包括：
将运算放大器的第一输入端上的第一电压设定为等于所述运算放大器的第二输入端上的第二电压，所述第二电压还等于将要被监测的多个电池单元中的一个电池单元的负端子上的电压，所述运算放大器具有接受正电源电压的正电源端以及接受负电源电压的负电源端，所述正电源电压和所述负电源电压均不为地电压；
响应所述运算放大器的输出，通过控制电流控制器件来控制流过一路径的电流，所述路径包括串联连接的第一电阻器、所述电流控制器件、以及第二电阻器；以及
当所述第一电阻器耦合到所述一个电池单元的正端子并且所述运算放大器的所述第二输入端耦合到所述一个电池单元的所述负端子时，在输出端上提供所述参考地的电池电压，该输出端耦合到所述路径在所述电流控制器件和所述第二电阻器之间的第二节点上。
14.根据权利要求13所述的转换电池单元的浮动电池电压为参考地的电池电压的方法，其特征在于，还包括：
提供所述正电源电压到所述运算放大器的所述正端子上；以及
提供所述负电源电压到所述运算放大器的所述负端子上，并且其中所述正电源电压减去所述负电源电压是差动电源电压，所述差动电源电压小于或者等于5伏特。
15.根据权利要求13所述的转换电池单元的浮动电池电压为参考地的电池电压的方法，其特征在于，所述第二电压响应所述多个电池单元中要被监测的电池单元而变化，并且其中所述方法还包括：
响应所述多个电池单元中要被监测的电池单元来调整所述正电源电压，使得所述正电源电压大于所述运算放大器的所述第一输入端上的所述第一电压；以及
响应所述多个电池单元中要被监测的电池单元来调整所述负电源电压，使得所述负电源电压小于所述运算放大器的所述第二输入端上的所述第二电压。
16.根据权利要求15所述的转换电池单元的浮动电池电压为参考地的电池电压的方法，其特征在于，还包括：
调整所述正电源电压和所述负电源电压，使得所述正电源电压减去所述负电源电压为差动电源电压，所述差动电源电压小于或者等于5伏特。
17.根据权利要求13所述的转换电池单元的浮动电池电压为参考地的电池电压的方法，其特征在于，从所述浮动电池电压到所述参考地的电池电压的转换增益等于所述第二电阻器的值除以所述第一电阻器的值。
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