CN220626505U - 一种电池管理系统电压检测选通电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种电池管理系统电压检测选通电路，用于电池组中串联的电池单元的选通。本实用新型包括多个高压开关，每个高压开关的电压输入端连接对应电池单元的正极，使能端连接电池管理系统对应的电压选通使能信号输出端，所有高压开关的输出端连接，作为电路的电压输出端。所有高压开关的电流偏置端连接偏置电阻的一端，所有高压开关的电压偏置端连接偏置电阻的另一端，并连接NMOS管的栅极和漏极。每个高压开关结构相同，包括四个高压PMOS管、两个高压NMOS管、一个低压NMOS管和三个二极管。本实用新型消除了信号通路上由静态电流在开关内阻上引入的误差，提高了电压采样的精度，以及不同通道间的电压采样一致性。
Description
技术领域
本实用新型属于电子技术的电压检测领域，涉及一种电池管理系统电压检测选通电路。
背景技术
电池管理系统(BMS)是为了智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。电池电压检测是BMS基础功能。电池串联结构导致电池上的检测电压为高电压。通常在电压通路上串接分压电阻，将高电值转换成低电压值进行低压采样。但是分压电阻的精度波动导致此方法的测量精度不足。
在BMS向高精度方向发展，需要直接在高电压上进行电压采样。为了减少成本与提高各通道一致性，需要使用多路高压电压选通电路将多路电压输入根据选择信号选通到一路输出。由于电池电压高，需要使用高压管与特殊电路实现多路高压电压选通功能。如《动力电池检测芯片高压MUX电路设计》(微电子学与计算机，2016，33(12))实现了一种8节电池的多路高压电压选通电路，此电路的面积大，有1个高压PMOS的源极与外部高压输入直接相连。由于高压PMOS的源极与栅级不耐高压，极易被高压脉冲干扰冲击，存在耐压隐患。
当BMS系统支持的电池组串联的电池单元个数越来越多，输入电压更高后，耐压问题需要电路解决，不能留有耐压隐患。另外输入电压提高后，高压管的耐压指标提高，导致高压管的面积更大。为了减少BMS芯片的成本，高压管的面积需要做到最小，这导致高压管的导通内阻更高，流经高压开关的电流更容易影响电压采样的精度，各通道上开关导通内阻值不一致性会更加大，开关导通内阻也会在导通电流作用下产生误差电压，从而增加不同通道间的不一致性。专利号为CN201911311168.3的发明专利提出了一种不从电池端消耗电流，提高了高压选通时的精度的方法，但是电路复杂，需要8个N型DMOS管、6个P型DMOS管、1个齐纳二极管、2个反相器。
发明内容
本实用新型的目的就是提供一种电池管理系统电压检测选通电路，消除信号通路上由静态电流引入的误差和耐压隐患。
本实用新型包括偏置电路和多个高压开关K。每个高压开关的电压输入端Vin连接对应电池单元的正极，使能端EN连接电池管理系统对应该电池单元的电压选通使能信号输出端，所有高压开关K的输出端连接，作为电路的电压输出端Vout。
偏置电路包括一个NMOS管N和一个偏置电阻R。所有高压开关K的电流偏置端Ib连接偏置电阻R的一端，所有高压开关K的电压偏置端Vb连接偏置电阻R的另一端，并连接NMOS管N的栅极和漏极，NMOS管N的源极接地。
每个高压开关K结构相同，包括四个高压PMOS管、两个高压NMOS管、一个低压NMOS管和三个二极管。第一高压PMOS管P1的源极、第二高压PMOS管P2的源极、第一高压NMOS管N1的栅极接第一二极管D1的正极和第二二极管D2的负极，第一高压PMOS管P1的漏极作为高压开关K的电压输入端Vin，第二高压PMOS管P2的漏极作为高压开关K的输出端；第一二极管D1的负极接第三二极管D3的正极；第一高压PMOS管P1的栅极、第二高压PMOS管P2的栅极、第三高压PMOS管P3的漏接、第一高压NMOS管N1的源极、第二高压NMOS管N2的漏极接第二二极管D2的正极和第三二极管D3的负极；第一高压NMOS管N1的漏极、第三高压PMOS管P3的源极和第四高压PMOS管P4的源极接电池组的最高电位VDD；第三高压PMOS管P3的栅极、第四高压PMOS管P4的栅极和漏极连接，作为高压开关K的电流偏置端Ib；第二高压NMOS管N2的源极接低压NMOS管N3的漏极，低压NMOS管N3的源极接地；低压NMOS管N3的栅极作为高压开关K的电压偏置端Vb，第二高压NMOS管N2的栅极作为高压开关K的使能端EN。
高压PMOS管和高压NMOS管的漏极与栅极可承受压差大于等于电池组的最高电压，低压NMOS管的漏极与栅极可承受压差小于10V。
本实用新型的高压输入与高压管的耐压端相连接，其他控制信号均在芯片内部，没有暴露在外部的耐压隐患，消除了信号通路上由静态电流在开关内阻上引入的误差，提高了电压采样的精度，也提高了不同通道间的电压采样一致性。采用本实用新型，可以选择面积小、内阻大的高压管，降低了BMS芯片的成本。
附图说明
图1为本实用新型的整体电路示意图；
图2为图1中高压开关的电路图。
具体实施方式
以下结合实施例对本实用新型做进一步描述。
一种电池管理系统电压检测选通电路，置于电池检测芯片电压采集前端，用于电池组的电池单元的选通，电池组由N个串连的电池单元构成。如图1所示，选通电路包括N个高压开关K，每个高压开关的电压输入端Vinn(n＝1,2,...,N)连接对应电池单元的正极，使能端EN连接电池管理系统对应该电池单元的电压选通使能信号输出端，所有高压开关K的输出端连接，作为电路的电压输出端Vout。所有高压开关K的电流偏置端Ib连接偏置电阻R的一端，所有高压开关K的电压偏置端Vb连接偏置电阻R的另一端，并连接NMOS管N的栅极和漏极，NMOS管N的源极接地。NMOS管N和偏置电阻R构成偏置电路。
每个高压开关K结构相同，具体结构如图2所示：包括四个高压PMOS管、两个高压NMOS管、一个低压NMOS管和三个二极管。第一高压PMOS管P1的源极、第二高压PMOS管P2的源极、第一高压NMOS管N1的栅极接第一二极管D1的正极和第二二极管D2的负极，第一高压PMOS管P1的漏极作为高压开关K的电压输入端Vin，第二高压PMOS管P2的漏极作为高压开关K的输出端；第一二极管D1的负极接第三二极管D3的正极；第一高压PMOS管P1的栅极、第二高压PMOS管P2的栅极、第三高压PMOS管P3的漏接、第一高压NMOS管N1的源极、第二高压NMOS管N2的漏极接第二二极管D2的正极和第三二极管D3的负极；第一高压NMOS管N1的漏极、第三高压PMOS管P3的源极和第四高压PMOS管P4的源极接电池组的最高电位VDD；第三高压PMOS管P3的栅极、第四高压PMOS管P4的栅极和漏极连接，作为高压开关K的电流偏置端Ib；第二高压NMOS管N2的源极接低压NMOS管N3的漏极，低压NMOS管N3的源极接地；低压NMOS管N3的栅极作为高压开关K的电压偏置端Vb，第二高压NMOS管N2的栅极作为高压开关K的使能端EN。
高压PMOS管和高压NMOS管的漏极与栅极可承受压差大于等于电池组的最高电压，低压NMOS管的漏极与栅极可承受压差小于10V，一般选择5-6V。
以下以选择第1路的高压为例进行说明。
偏置电路近似产生(VDD-2×Vth)/Rb的偏置电流(VDD为电池组的最高电位，Vth为MOS管的阈值电压，Rb为偏置电阻R阻值)。偏置电压输入端Vb为每个高压开关提供偏置电压，每个高压开关的N3将偏置电压Vb转换为流过N3的静态电流。每个高压开关的P1、P2通路是信号通路，任何流过P1、P2的静态电流都会由于P1、P2的导通内阻产生额外的压降。
高压开关的使能端EN采用独热码控制。选择第1路时，第1个高压开关的使能端EN1设置为5V，第2到第N个高压开关的使能端EN2到ENN设置为0V。第2个到第N个高压开关的N2断路，令第2个到第N个高压开关的P1与P2的栅极浮空。P3与P4构成的电流镜将输入电流偏置Ib复制到P3通路。P3通路的电流将P1与P2的浮空栅极充电到接近VDD。二极管D2令P1与P2的源极电压接近VDD-Vth。由于第2个到第N个高压开关的输入Vin2到VinN的电压小于等于VDD，导致第2个到第N个高压开关的P1与P2断路，第2个到第N个高压开关的输入Vin2到VinN与输出Vout断开。由于第1个高压开关的使能端为5V，则第1个高压开关的N2导通，N3产生的电流令P1与P2的栅极电位下降并低于第1个高压开关的Vin1，导致第1个高压开关的P1与P2导通，第1个高压开关的高压输入电压Vin1通过P1与P2输出到电路的输出端Vout。由于二极管D1、D3的累计阈值高于N1管的阈值，N3产生的电流流经N1，不从P1、P2流过，从而消除了P1、P2信号通路上由静态电流在P1、P2导通内阻上引入的电压误差。三个二极管保护高压管的源极与栅极的压差不过压。
当电压检测选通电路的后级电压采样电路采用容性负载时，电压采样电路稳定后容性负载相当于断路，电压检测选通电路只提供电压，不产生电流。又由于电压检测选通电路的信号通路上没有由静态电流引入的误差，由于制造工艺不一致导致的各通道的开关内阻阻值不一致性也不会产生额外的通道间误差电压，从而提高了不同通道间的电压采样一致性。
应该理解的是上述实例只是对本实用新型的说明，而不是对本实用新型的限制，任何不超出本实用新型实质精神范围内的发明创造，均落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种电池管理系统电压检测选通电路，其特征在于：包括偏置电路和多个高压开关K；每个高压开关的电压输入端Vin连接对应电池单元的正极，使能端EN连接电池管理系统对应该电池单元的电压选通使能信号输出端，所有高压开关K的输出端连接，作为电路的电压输出端Vout；
所述的偏置电路包括一个NMOS管N和一个偏置电阻R；所有高压开关K的电流偏置端Ib连接偏置电阻R的一端，所有高压开关K的电压偏置端Vb连接偏置电阻R的另一端，并连接NMOS管N的栅极和漏极，NMOS管N的源极接地；
每个高压开关K结构相同，包括四个高压PMOS管、两个高压NMOS管、一个低压NMOS管和三个二极管；第一高压PMOS管P1的源极、第二高压PMOS管P2的源极、第一高压NMOS管N1的栅极接第一二极管D1的正极和第二二极管D2的负极，第一高压PMOS管P1的漏极作为高压开关K的电压输入端Vin，第二高压PMOS管P2的漏极作为高压开关K的输出端；第一二极管D1的负极接第三二极管D3的正极；第一高压PMOS管P1的栅极、第二高压PMOS管P2的栅极、第三高压PMOS管P3的漏接、第一高压NMOS管N1的源极、第二高压NMOS管N2的漏极接第二二极管D2的正极和第三二极管D3的负极；第一高压NMOS管N1的漏极、第三高压PMOS管P3的源极和第四高压PMOS管P4的源极接电池组的最高电位VDD；第三高压PMOS管P3的栅极、第四高压PMOS管P4的栅极和漏极连接，作为高压开关K的电流偏置端Ib；第二高压NMOS管N2的源极接低压NMOS管N3的漏极，低压NMOS管N3的源极接地；低压NMOS管N3的栅极作为高压开关K的电压偏置端Vb，第二高压NMOS管N2的栅极作为高压开关K的使能端EN。
2.如权利要求1所述的一种电池管理系统电压检测选通电路，其特征在于：所述的高压PMOS管和高压NMOS管的漏极与栅极可承受压差大于等于电池组的最高电压。
3.如权利要求1所述的一种电池管理系统电压检测选通电路，其特征在于：所述的低压NMOS管的漏极与栅极可承受压差小于10V。
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