TWI296459B - Voltage level translator circuitry and method for translating a floating cell voltage, and battery pack - Google Patents

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TWI296459B
TWI296459B TW095104652A TW95104652A TWI296459B TW I296459 B TWI296459 B TW I296459B TW 095104652 A TW095104652 A TW 095104652A TW 95104652 A TW95104652 A TW 95104652A TW I296459 B TWI296459 B TW I296459B
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Description

1296459 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種無線電氣裝置的電池組，更特別言 之，係關於可以是該電池組的組件的單浮動電池單元電壓 轉譯器電路。 【先前技術】
各種無線電氣裝置可以由電池組供電。這種無線電氣裝 置的實例包括但不限於，膝上型電腦（lapt〇pc〇mputer)、蜂 窩式電話（cell phone)、個人數位助理（pers〇nal assistant)以及例如鑽（drill)之類的電動工具。這種電池組可 以包括複數個電池單元和電源開關，以允許電池單元提供 電流（放電操作模式）或者被充電（充電操作模式）。可藉由電 池組的電路執行各種監測功能，以該維持電池單元安全的 和所期望的使用。作為這種以及其他監測操作的一部分， 可監測每個電池單元的電池單元電壓位準。所監測的電池 單^電壓位準可為浮動或者線對線電池單元電壓。可在跨 過母個電池單元的正負端之間獲得該浮動電壓測量結果。 某二障况下，希望將該浮動電池單元電壓轉譯（t山⑷成 接地參考的電壓。 將該子動電池單元電壓轉譯成接地參考的電壓的一個習 =方法是使用-具有四個外㈣合電阻器的差動運算放大 =然习而’對於具有二或大於二個串聯電池單元的電池組， ^ 的方法要求使用而壓運算放大器來配合運算放大 /、輸入端之間相對大的電位差。與具有小於或者等於約5 108225-961213.doc 1296459 伏特的電源電壓的低壓運算放大器相比，高壓運算放大器 具有約10伏特到40伏特之間的電源電壓，以及更大的共模 (common-mode)增益以及偏移電壓誤差。這些誤差接著需要 藉由以複雜的校準程序以平衡所有的四個電阻器值來進行 校正，這需要對四個電阻器中的至少一個進行精確調整。 因此，需要一種減小電壓轉譯誤差並簡化校準的單浮動 電池單元電壓位準轉譯器電路。 【發明内容】
根據本發明的一個方面，提供一種將一電池單元的一浮 動電池單元電壓轉譯（translate)成一接地參考⑷⑽Μ referenced)的電池單元電壓之電壓轉譯器電路。該電壓轉譯 器電路包括一路徑，其包括串聯耦接的一第一電阻器、一 電流控制裝置、及一第二電阻器。該電壓轉譯器電路進一 正電源供應電壓的 步包括一運算放大器，其具有一接受一 正電源供應端以及一接受一負電源供應電壓的負電源供應 端，該正電源供應電壓和該負電源供應電壓均不為接地電 壓。該運算放大器亦具有一耦合到該路徑在該第一電阻器 和該電流控制裝置之間的一第一節點的第一輸入。該第一 電阻器進一步耦合到待監測電池單元的一正端。該運算放 大器具有一耦合到待監測電池單元的一負端的一第二輸 入。該電壓轉譯器電路進一步包括一輸出端，其耦合到該 路徑在該電流控制裝置和該第二電阻器之間的一第二節 點。該輸出端被設置成當該第一電阻器耦合到該電池單元 的該正端且該運算放大器的該第二輸入耦合到該電池單元 108225-961213.doc 1296459 t〉也單元電壓給該電池單 的該負端時，提供該接地參考的 元。
根據本發明的另一方面’提供一種電池組。該電池組可 包括複數個電池單U關網路，以及電壓轉譯器電路。 該電壓轉譯器電路包括一路徑，#包括串聯耗接的一第一 電阻器、-電流控制裝置、及一第二電阻器。該電壓轉譯 器電路進-步包括—運算放大器，其具有—接受一正電源 供應電壓的正電源供應端以及一接受—負電源供應電壓的 負電源供應端’該正電源供應電壓和該負電源供應電壓均 不為接地電壓。該運算放λιι亦具有1合到該路徑在該 第-電阻器和該電流控制裝置之間的— 點的 入。該第-電阻器進一步經由該開關網路耦合到該複數個 電池單元中待監測的—電池單元的—正端。該運算放大器 具有-耦合到待監測的該一電池單元的—負端的一第二輸 入。一該電壓轉譯器電路進—步包括—輪㈣，其耦合到該 路徑在該電流控制裝置和該第二電阻器之間的一第二節 點。該輸出端被設置成當該第一電阻器耦合到該一電池單 :的該正端且該運算放大器的該第二輸入耦合到該一電池 早70的該負端時，提供該接地參考的電池單元電壓給該一 電池單元。 根據本發明的又一方面，提供一種轉譯一電池單元的一 浮動電池單元電壓為一接地參考的電池單元電壓的方法。 該方法可包括：將一運算放大器的一第—輸入的一第一電 壓設定為等於該運算放大器的一第二輸入的一第二電壓， 108225-961213.doc 1296459
端且該運算放大器的該第二輸入 阻器、該電流控制裝置、及一第二 電阻器耦合到該一電池單元的一正 第二輸入耦合到該一電池單元的該 負鳊時，在一輸出端上提供該接地參考的電池單元電壓， 該輸出端耦合到該路徑在該電流控制裝置和該第二電阻器 之間的一第二節點。 本發明中的所述說的主題實施例的特徵和優點，可隨著 下面的詳細描述以及根據對應附圖的參考而更加明顯，並 且附圖中相同的數字表示相同的部分。 【實施方式】 圖1闡示一具有一電池組1〇2的無線電氣裝置1〇〇，該電池 組102可以在一電池供電模式期間向一負載1〇4提供電力。 孩負載104可以表示該裝置1〇〇的整個負載，其可以麵合到 該電池組102的VPACK+端120和VPACK·端丨16。該無線電氣 裝置100可以包括但不限於：膝上型電腦、蜂窩式電話、個 人數位助理以及例如鑽（drill)、圓鋸（circular saw)、撒砂器 (sander)等電動工具。在一實施例中，當該無線電氣裝置是 電動工具時’負載104可以是該電動工具本身。除了在電池 108225-961213.doc -10· 1296459 供電模式中向該負載104提供電力之外，該電池組1〇2也可 以由一DC電源（未示出）再充電，該Dc電源例如是一在一 電池充電模式的AC-DC調適器（adapter)。該電池組1〇2可包 括充電和放電開關134，從而促進電池組1〇2在電池供電模 式和電池充電模式中之運作。 該電池組102可包括一或複數個電池單元1〇8，一開關網 路106 从控制器118，以及根據本發明的電壓轉譯器電 • 路130。該電池單元108可為例如鋰離子電池的任何類型的 化學電池。該開關網路106可回應於來自例如該微控制器 118的各種來源的控制信號，來選擇該等電池單元1〇8中的 一個以耦合到該電壓轉譯器電路13〇上。該微控制器118還 可接收並且執行來自該功率管理控制器i 24的指令，該功率 管理控制器124可包括將電池單元耦合到該電壓位準轉譯 器電路130上的指令。該微控制器118還可控制該充電和放 電開關13 4的狀態。 I 一般而言，該電壓轉譯器電路13〇可將一浮動電池單元電 壓轉”睪為一接地參考（ground reference(j)的電壓。該電壓轉 譯器電路130可包括一路徑1〇3,其包括串聯連接的一第一 電阻器R1，一電流控制裝置（CCD)172(可以一電晶體實現） 以及一第二電阻器R2。該電壓轉譯器電路13〇進一步可包括 一運算放大器110和一輸出端142。該運算放大器11〇可為低 電壓運算放大器，並且在後面將其稱為低電壓運算放大 為。一低電壓運算放大器具有等於約5伏特或者更低的電源 供應電壓。例如，一低電壓放大器可具有一接受一正電源 108225-961213 .doc -11 - 1296459 供應電壓的正電源供應端Vamp+以及一接受一負電源供應 電壓的負電源供應端Vamp-。由於一浮動電源的正電源供應 電壓不為地電壓，其負電源供應電壓也不為地電壓，因此 一低電壓運算放大器可使正電源供應電壓減去負電源供應 電壓的一差動電源供應電壓位準小於或者等於約5伏特。例 如’如果VI是該正電源供應電壓且V2是該負電源供應電 壓’ VI和V2可具有可變的位準，V1可大於V2，且V1_V2可 小於或者等於約5伏特。在一實施例中，該低壓浮動電源供 應電壓可為3.3伏特。相反地，對於V1或者Vamp+，一習知 的運算放大器可具有固定電壓位準，且V2或者Vamp_可為 地（〇)電位。該低電壓運算放大器11〇也可為一高精確度、高 增益、低偏移量的浮動電源供應運算放大器。高增益表示 增益大於120dB。 該運算放大器110可具有一耦合到該路徑1〇3在該第一電 阻器R1和該電流控制裝置172之間的一第一節點138的第一 輸入。该第一電阻器R1可進一步經由該開關網路【〇6耦合到 待監測電池單元的正端。該運算放大器11〇可具有一經由該 開關網路106耦合到待監測電池單元的負端的一第二輸入。 該輸出端142可耦合到該路徑ι〇3在該電流控制裝置172 和該第二電阻器R2之間的一第二節點14〇。該輸出端丄仏可 被设置成當該第一電阻器R1經由該開關網路1 〇6耦合到待 監測電池單元的該正端且該運算放大器11〇的該第二輸入 經由該開關網路106耦合到待監測電池單元的該負端時，提 供一接地參考的電池單元電壓給被監測的該電池單元。 108225-961213.doc 12- 1296459 一旦耦合到一待監測的特定電池單元，該浮動電池單元 電壓將被設定為跨過該第一電阻器，這是因為由該運算放 大器110和該電流控制裝置172形成的該反應回路（reaction loop)將驅動该運算放大器11〇的該第一輸入電壓，使其設定 在與該第二輸入電壓位準相同的電壓位準上，即，目前被 選擇的該電池單元的該負端上的電壓或者VcelK。因此，該 浮動電池單7L電壓在該輸出端142被轉譯成一接地參考的 電壓。由於同樣的電流流過該第一電阻器R1和該第二電阻 器R2 ’因此該轉譯增益，即被該被轉譯的電壓（跨過電阻器 R2)與該電池單元電壓（跨過電阻器R1)之間的比（rati…係由 該第二電阻器的值除以該第一電阻器的比值R2/R1所給 定。該比值R2/R1可依據特定的應用被選擇。例如，如果將 該接地參考的電池單元電壓提供給具有i伏特滿刻度（fuU scale)範圍的接地參考的類比_數位轉換器（anal〇g t〇 dighai converter，ADC)且最大電池單元電壓是4伏特，R2/R1比值 可為1:4。對於同樣的最大電池單元電壓，如果該ADC具有 4伏特滿刻度範圍，那麼R2/R1比值可為1:1。 現請參閱圖1B，其闡示隨著圖1A的運算放大器n〇的該 輸入電壓回應於所選擇的電池單元而改變，該運算放大器 的的正電源供應電壓和負電源供應電壓與時間的示音圖。 如前詳述，當轉譯一特定單元的電池單元電壓時，該運瞀 放大器110的兩個輸入將保持在相同的電堡位準上。特別 是’該電壓位準可以是該被監測電池單元的該負端上的該 電壓位準，或線段190所示的Vcell·。當所測量的電池單= 108225-961213.doc -13- 1296459 被放置在串聯耦接的一組電池單元堆疊中較高的位置時， 線段刚的電壓位準增加，這是因為它是在所監測電池單元 之下的所有電池單元電壓的總寿口。例如，在時刻ti、^和^ 時，所選擇的電池單元可改變，以將VeeU_增加相應的量。 為了採用低電壓運算放大器，該運算放大器11〇的該正電 源供應端的該正電源供應電壓（Vamp+)與該運算放大器i 1〇 的該負電源供應端的該負電源供應電壓（Vamp_)需要回應 _ 於複數個電池單元108中待監測的電池單元而進行調節。由 線段192所表示的該正電源供應電壓Vamp+可被調節為隨 著忒運算放大器11 〇的相關輸入電壓的改變，保持該正電源 電壓大於該相關輸入電壓，在本實例中，該相關輸入電壓 疋ell例如，^ Vcell-因被選擇的電池單元的改變而在 時刻tl增加時，線段192也增加，俾使該正電源供應電壓
VamP+大於該運算放大器11〇的相應輸入，或在此情況為 Vcell-。 > 由線段194所表示的該負電源電壓Vamp-也可調節為保持 該負電源供應電壓小於該運算放大器11〇的相關輸入電 壓，該相關輸入電壓在這種情況下也等於VceU•。線段19〇 和194之間的第一差值dvl和線段192和19〇之間的第二差值 dV2應選擇為足夠小，以使得由第三差值dv3所表示的該運 算放大器110的電源供應電壓保持在一低電壓範圍，例如， 等於或者小於約5伏特。 圖2疋根據與圖丨的電路13〇相符的電壓轉譯器電路的 電壓轉譯器電路13(^之一實施例的電路圖，其更詳細的闡 108225-961213.doc -14- 1296459 示以與圖1B的線段一致地操作的該低電壓運算放大器U〇 的浮動電源供應電路。圖2還闡示包括四個電池單元的電池 單元108a的一實施例以及開關網路106的開關網路1〇6&之 • 一實施例。與圖1的電壓轉譯器電路130相比，該電壓位準 轉譯器電路130a還可包括一作用為該電流控制裝置172的P 通道金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET)電晶體Qi。該 MOSFET Q1的控制端即閘極端接收來自該運算放大器11〇 的一輸出信號。該MOSFET Q1的源極端經由該第一節點138 馨 耦合到該第一電阻器R1。該MOSFET Q1的汲極端經由該第 二節點140耦合到該第二電阻器R2。在該實施例中，由於p 通道MOSFET用作該電晶體Q卜因此該運算放大器u〇具有 耦合到被監測的該電池單元的負端Vcell-的非反相輸入 端，以及經由該節點138耦合到MOSFET Q1的源極的反相輸 入端。 該電池單元108a的每個單元的各個浮動電池單元電壓位 • 準可藉由該開關網路106a由該電壓轉譯器電路i3〇a進行監 測。所監測的該浮動電池單元電壓位準接著可由該電壓轉 • 譯器電路13(^轉譯到一接地參考的電壓位準。例如，當該 ，第一單元（CELL 1)將要被該電壓位準轉譯器電路13〇&監測 時，該開關網路106a的開關SW1和SW2閉合（cl〇se)，同時所 有其他的開關保持打開(open)。圖2的開關網路! _中闌示 這些開關的狀態。如此，該第一單元（CELL υ的該正端可 經由開關SW1耦合到該路徑103的該第一電阻器^上。另 外，該第-單元（CELL υ的該負端可經由開關SW2和路徑 108225-961213.doc 15 1296459 204耦合到該運算放大器no的該非反相輸入端。該開關網 路106a的所有開關都保持此等狀態，直到該第一單元（cell 1)的該浮動電池單元電壓被轉譯到一接地參考的電壓完成 為止。 當該第二單元（CELL 2)將要由該電壓轉譯器電路13〇&監 測時’開關S W3和SW4閉合，同時該開關網路丨06a的其他 開關保持打開。當該第三單元（CELL 3)將要由該電壓位準 轉譯器電路130a監測時，開關SW5和SW6閉合，同時該開 ¥ 關網路106a的其他開關保持打開。最後，當該第四單元 (CELL 4)將要由該電壓位準轉譯器電路13〇a監測時，開關 SW7和SW8閉合，同時開關網路1〇仏的其他開關保持打開。 另外，該電壓轉譯器電路130a的該浮動電源供應電路可 回應於該複數個電池單元丨08a中選為待監測電池單元而將 提供給該運算放大器110的該正和負端的Vamp+* Vamp—電 源供應電壓調節到適當的位準，如圖1B所示。這些適當的 _ 位準可使得Vamp+大於該運算放大器11〇的該反相輸入端 的輸入電壓’ Vamp-小於該運算放大器11〇的該非反相輸入 端的輸入電壓’且一差動電源供應電壓（Vamp+減去Vamp_) 等於一小於或等於約5伏特的低電壓位準。 在圖2的實施例中，該浮動電源供應電路可包括：一第一 電壓調節裝置例如第一齊納（Zener)二極體DZ1、一第一電 流源191、第一電晶體T1、一例如第二齊納二極體DZ2之第 一電壓調節裝置、一第二電流源195、及一第二電晶體Τ2。 該第一齊納二極體Dz丨的陰極連接到該目前選擇的電池單 108225-961213 .doc -16- 1296459 兀的負端上。該電流源191可設定經由該第一齊納二極體 DZ1驅動的一内部電流π，以使跨過該第一齊納二極體^^丄 的電壓等於圖2所示的γζ1。該第一齊納二極體DZ1的陽極 連接到一適當選擇的電源供應電晶體丁丨的控制端。在該實 施例中’該電晶體T1可為一p通道M〇SFET。該m〇sfet T1 的源極端連接到該運算放大器11〇的該負電源供應端，同時 MOSFET T1的汲極接地。如熟悉本技藝人士所能計算的， 該負電源供應電壓Vamp-可近似在方程式（1)中給定： (1) Vamp-=(Vcell-)_Vzl+Vthl ; 其中Vcell-是該目前測量的電池單元的該負端上的電 壓’ Vzl是跨過該第一齊納二極體dzi上的電壓降，且Vthl 是電晶體T1的門限電壓（源極到閘極電壓）。該第一齊納二 極體DZ1、該電流源19卜及該電晶體T1可被設計俾使Vzl〉 Vthl，其中Vzl-Vthl可表示為dVl，使方程式（1)可改寫成 Vamp-=(Vcell-)-dVl。因此，該值dVl(例如，其等於圖1B 的dVl)可被選擇，俾使提供給該運算放大器u〇的該負電源 供應電壓Vamp-可為一小於該輸入電壓（Vcell〇的期望量。 例如，如果 Vzl = 4V且 Vthl= IV，那麼 Vamp-= (Vcell_)-3V〇 類似地，該第二齊納二極體DZ2的陽極可連接到該節點 212上’该卽點212進一步連接到該運算放大器no的該負電 源供應端。該第二電流源195可從該電池組l〇8a的最正端推 動一電流12。據此，跨過該第二齊納二極體DZ2的電壓降為 Vz2。該第二齊納二極體DZ2的陰極可耦合到該第二適當選 擇的電晶體T2的控制端上。在圖2的實施例中，電晶體T2 108225-961213.doc -17· 1296459 可為N通道MOSFET。該MOSFET T2的源極端可連接到該運 算放大器110的該正電源供應端，同時M0SFETT2的汲極可 連接到該電池組的最正端。提供給該運算放大器110的該正 電源供應端的該正電源供應電壓位準Vamp+可近似在方程 式（2)中給定： (2) Vamp+= (Vamp-)+Vz2-Vth2 ; 其中Vz2是跨過該第二齊納二極體DZ2的電壓降，且Vth2 是電晶體T2的門限電壓（閘極到源極電壓）。將Vamp-的表達 > 式從方程式（1)代入方程式（2)，方程式（2)可改寫為： (3) Vamp+= (Vcell-)-Vzl+Vthl+Vz2-Vth2 因此，藉由適當地設計該第二齊納二極體DZ2和該第二 電晶體T2並且設定電流12的值，該運算放大器11〇的該正電 源供應電壓位準Vamp+可調節為大於其輸入電壓（Vcell-)。 例如，如果Vz2= 6V且Vth2= IV並使Vzl和Vthl保持先前的 值，則可利用方程式（3)將Vamp+近似等於（Vcell_)-4V I +lV+6V_lV=(Vcell_)+2V。換句話說，+2V在本例中等於圖 1B中的dV2。因此，提供給該運算放大器11〇的有效差動電 源供應電壓（圖1B的dV3)是[Vamp+] - [Vamp-]或 [(Vcell-)+2V] — [(Vcell-)-3V]= 5V。 除了圖2的浮動電源供應電路以外，熟悉本領域技藝之人 士應注意理解本發明的供應Vamp+和Vamp-給該低電壓運 算放大器110的其他實施例。例如，MOS電晶體或者串聯連 接的MOS電晶體組，其中每個電晶體為二極體架構（閘極連 接到汲極上），可用於實現上述的電壓調節裝置DZ1、DZ2。 108225-961213.doc -18 - 1296459 同樣地’雙極型PNP電晶體可用作電晶體T1和/或雙極型 NPN電晶體可用作電晶體Τ2，在這種情況下對應的門限電 壓是基極-射極電壓Vbe与0.7V。 在操作中’當一個單元待被該電壓轉譯器電路13〇a監測 時’該開關網路l〇6a的相關開關將對應的單元連接到該電 壓轉譯器電路。例如，如果該第一單元（CEL]L丨）要被監測， 那麼該開關網路l〇6a的開關SW1和SW2閉合，同時其他開 關打開’以將該第一單元的該正端連接到該路徑1 〇3的該第 一電阻器R1上。另外，該第一單元（CELL 1)的該負端可經 由開關SW2和路徑204耦合到該運算放大器11〇的非反相輸 入端。該第一單元（CELL 1)的浮動電池單元電壓接著被設 定跨過該第一電阻器R1。該運算放大器11〇控制經過該 MOSFET Q1和電阻器R1和R2的電流，在該輸出端142將該 浮動電池單元電壓轉譯為一接地參考的電壓。該轉譯增益 僅取決於該第一電阻器R1和該第二電阻器R2的比值，即 _ R2/R1。 任何在該運算放大器11 〇的非反相輸入端和反相輸入端 之間的公共電壓稱作共模（common-mode)電壓。理論上理想 的差動運算放大器具有零共模增益。然而，實際上的運算 放大器具有某些共模增益，且共模拒斥比（common mode rejection ratio，CMRR)可用於相對該差動增益量化該共模 增益。該CMRR比可以是該運算放大器的一性能測量，且被 表示為該差動電壓增益除以該共模增益。該低電壓運算放 大110的CMRR可以相當南’例如，大於70dB，俾使該運 108225-961213.doc -19- 1296459 异放大器110的該共模抑制可用於該抑制共模電壓。 圖3是根據將一電池單元的浮動電池單元電壓轉譯為一 接地參考的電池單元電壓的實施例的操作3〇〇的流程圖。操 作302包括將一運算放大器的一第一輸入的一第一電壓設 定為等於該運算放大器的一第二輸入的一第二電壓，該第 一電壓進一步等於複數個電池單元中待監測的一電池單元 的一負端的一電壓。該運算放大器具有一接受一正電源供 • 應電壓的正電源供應端以及一接受一負電源供應電壓的負 電源供應端，該正電源供應電壓和該負電源供應電壓均不 為接地電壓。操作304包括回應於該運算放大器的一輸出， 藉由控制一電流控制裝置來控制流過一路徑的一電流，該 路徑包括串聯耦接的一第一電阻器、該電流控制裝置、及 第一電阻器。最後，操作3〇6包括當該第一電阻器耦合到 該一電池單元的一正端且該運算放大器的該第二輸入耦合 到該一電池單元的該負端時，在一輸出端上提供該接地參 ϋ 考的電池單元電壓，該輸出端耦合到該路徑在該電流控制 裝置和該第二電阻器之間的一第二節點。 其他的操作可包括提供一正電源供應電壓到該運算放大 器的該正端，以及提供一負電源供應電壓到該運算放大器 的該負電源供應端，其中該正電源供應電壓減去該負電源 供應電壓是一差動電源供應電壓，該差動電源供應電壓小 於或者等於約5伏特。回應於待監測的該電池單元來調整該 正電源供應電壓和該負電源供應電壓位準，俾使該正電源 供應電壓大於該運算放大器的該第一輸入的該第一電壓， 108225-961213 .doc -20- 1296459 且該負電源供應電壓小於該運算放大器的該第二輸入的該 第二電壓，以及該差動電源供應電壓小於或者等於約5伏 特。在一個實施例中，提供該正電源供應電壓和負電源供 應電壓以及調節這些電壓的方法可由圖2的浮動電源供應 電路實現’该電路包括該第一電壓調節裝置例如該第一齊 納二極體DZ1、該第一電流源丨91、該第一電晶體τ丨、該第 二電壓調節裝置例如該第二齊納二極體DZ2、該第二電流 源195、以及該第二電晶體T2，如前詳述。 有利之處在於，本發明提供一種單浮動電池單元電壓位 準轉譯器電路，其減小電壓轉譯誤差並且簡化校準。較少 的外部電阻器亦導致節省元件成本，並且在重視空間的環 境中郎省了空間。另外，在轉譯過程中的共模誤差，尤其 疋在一個寬的溫度範圍内，係難以控制和量化。圖丨和2的 電壓位準轉譯器電路的實施例完全消除共模誤差。僅有的 秩差是電壓偏移誤差和增益誤差，這些藉由使用該低電壓 運算放大器110可被明顯減小，且相對更容易地用微控制器 校準進行補償。另夕卜，該電壓偏移誤差和增益誤差在寬的 溫度範圍内相對更容易地預知。 日雖然上述發明詳細說明係參考例示性實施例來進行，但 疋其許多替換、修正和變化對熟悉本領域技藝人士來說 疋月』的因此，意欲廣泛的解釋所要求的主題。此外， 在文中所使用的術語和措辭係描述性而非限制性，且使用 、V術m和措辭並未意欲排除任何所顯示和所描述的特徵 (或在其中的部分）的等效物’應理解到各種變形在中請專利 108225-961213.doc -21- 1296459 範圍内都是可以外，其他修正、變化和替換亦都是可能的。 【圖式簡單說明】 圖1A是具有電池組的無線電氣裝置的示意圖，其中該電 池組具有根據本發明的電壓轉譯器電路·， 圖1B闡不當圖1A的運算放大器的輸入電壓隨著所選擇 的電池單域變時，該運算放大器的電源供應電壓的例示 圖； 圖2是圖1的電壓轉譯器電路的一個 & 崎旧1固貫施例的電路圖；以 及 圖3是根據一實施例的操作流程圖。 【主要元件符號說明】 100 無線電氣裝置 102 電池組 103 路徑 1〇4 負載 106、106a 開關網路 108、108a 電池單元 110 (低壓）運算放大器 116 VPACK-端 118 μ〇：(微控制器） 120 VPACK+端 124 功率管理控制器 130、130a 電壓轉譯器電路 134 充電和放電開關 108225-961213.doc -22- 1296459 138 節點 140 節點 142 輸出端 172 電流控制裝置 191 電流源 190 線段 192 線段 194 線段 195 電流源 204 路徑 212 節點 300 操作 302 操作 304 操作 306 操作 108225-961213.doc -23-

Claims (1)

1296459 十、申請專利範圍·· 1 · 一種將一電池單元的一浮動電池單元電壓轉譯（translate) 成一接地參考（ground referenced)的電池單元電壓之電壓 轉譯器電路，該電壓轉譯器電路包括： 路徑’其包括串聯麵接的一第一電阻器、一電流控 制裝置、及一第二電阻器； 運算放大器，其具有一接受一正電源供應電壓的正 _ 電源供應端以及一接受一負電源供應電壓的負電源供應 端，該正電源供應電壓和該負電源供應電壓均不為接地 電壓，該運算放大器亦具有一耦合到該路徑在該第一電 阻器和該電流控制裝置之間的一第一節點的第一輸入， 該第一電阻器進一步耦合到待監測電池單元的一正端， 邊運异放大器具有一耦合到待監測的該電池單元的一負 端的一第二輸入；以及 一輸出端，其耦合到該路徑在該電流控制裝置和該第 ，二電阻器之間的一第二節點，該輸出端被設置成當該第 -電阻器耦合到該電池單元的該正端且該運算放大器的 該第二輸人麵合到該電池單元的該負端時，提供該接地 參考的電池單元電壓給該電池單元。 2.如請求W的電遷轉譯器電路，其中該運算放大器包括一 低電虔運算放大器，其中該正電源供應電壓減去該負電 源供應電壓是-差動電源供應電麼，該差動電源供應電 壓小於或者等於約5伏特。 如明東員1的電壓轉尋器電路，其中該運算放大器和該電 108225-961213.doc 1296459 流控制裳置被設置成將該運算放大器的該第一輸入的一 第一電壓設定為等於該運算放大器的該第二輸入的一第 一電壓，該第二電壓進一步等於待監測的該電池單元的 一負端的一電壓。 4 ·如月求項3的電壓轉譯器電路，進一步包括一浮動電源供 應，其被設置成提供該正電源供應電壓和該負電源供應 電壓，其中該運算放大器的該第二輸入的該第二電壓隨 著複數個電池單元中待監測的該電池單元而變化，且其 I 中該浮動電源供應回應於待監測的該電池單元而調整該 正電源供應電壓和該負電源供應電壓，俾使該正電源供 應電壓大於該運算放大器的該第一輸入的該第一電壓， 且該負電源供應電壓小於該運算放大器的該第二輸入的 該第二電壓。 5·如請求項4的電壓轉譯器電路，其中該浮動電源供應進一 步被設置成提供該正電源供應電壓和該負電源供應電 ，壓，俾使該正電源供應電壓減去該負電源供應電壓提供 一差動電源供應電壓，該差動電源供應電壓小於或者等 於約5伏特。 6·如請求項3的電壓轉譯器電路，其中從該浮動電池單元電 壓到該接地參考的電池單元電壓的一轉譯（transi如⑽)增 盈（gain)等於該第二電阻器的值除以該第一電阻器的值。 7·如請求項！的電壓轉譯器電路，其中該電流控制裝置包括 一P通道金屬氧化物半導體場效電晶體，其具有_回應於 該運算放大器的一輸出的閘極端、一麵合到該第一節點 108225-961213.doc 1296459 的源極端、及一耦合到該第二節點的汲極端。 8· 一種電池組，其包括： 複數個電池單元； 一開關網路；以及 電壓轉譯器電路，其包括： 路仁，其包括串聯耦接的一第一電阻器、一電流控 制裝置、及一第二電阻器； 運异放大器’其具有一接受一正電源供應電壓的正 :源供應端以及-接受-負電源供應電壓的負電源供應 端’该正電源供應電壓和該負冑源供應電壓均不為接地 電壓’ &運算放大器亦具有—輕合到該路徑在該第一電 阻器和該電流控制裝置之間的一第一節點的第一輸入， 該第-電阻器進一步經由該開關網路耦合到該複數個電 池單元中待監測的-電池單元的—正端，該運算放大器 具有一耦合到待監測的該電池單元的一負端的一第二輸 入；以及 輸出端，其耦合到該路徑在該電流控制裝置和該第 一電阻器之間的一第二節點，該輸出端被設置成當該第 電阻器耦合到該一電池單元的該正端且該運算放大器 的該第一輸入耦合到該一電池單元的該負端時，提供該 接地參考的電池單元電壓給該一電池單元。 9·如請求項8的電池組，其中該運算放大器包括一低電壓運 算放大器，其中該正電源供應電壓減去該負電源供應電 壓是一差動電源供應電壓，該差動電源供應電壓小於或 108225-961213.doc 1296459 者等於約5伏特。 1 〇·如請求項8的電池組，其中該運算放大器和該電流控制裝 置被設置成將該運算放大器的該第一輸入的一第一電壓 設定為等於該運算放大器的該第二輸入的一第二電壓， 該第二電壓進一步等於待監測電池單元的一負端的一電 壓。 U·如請求項10的電池組，其中該電壓轉譯器電路進一步包 括一浮動電源供應，其被設置成提供該正電源供應電壓 和該負電源供應電壓，其中該運算放大器的該第二輸入 的該第二電壓隨著該複數個電池單元中待監測的一電池 單元而變化，且其中該浮動電源供應回應於該複數個電 池單7L中待監測的該電池單元而調整該正電源供應電壓 和該負電源供應電壓，俾使該正電源供應電壓大於該運 算放大器的該第一輸入的該第一電壓，且該負電源供應 電壓小於該運算放大器的該第二輸入的該第二電壓。 12.如請求項10的電池組，其中該浮動電源供應進一步被設 置成提供該正電源供應電壓和該負電源供應電壓，俾使 該正電源供應電壓減去該負電源供應電壓提供一差動電 源供應電壓，該差動電源供應電壓小於或者等於約5伏 特0 13· -種轉譯-電池單it的—浮動電池單元電壓為—接地參 考的電池單元電壓的方法，該方法包括： > 將-運算放大器的-第一輸入的一第一電壓設定為等 於該運算放大器的一第二輸入的一第二電壓，該第二電 108225-961213.doc -4 - 1296459 壓進一步等於複數個電池單元中待監測的一電池單元的 ^ 一負端的一電壓，該運算放大器具有一接受一正電源供 應電壓的正電源供應端以及一接受一負電源供應電壓的 、 負電源供應端，該正電源供應電壓和該負電源供應電壓 .均不為接地電壓； 回應於該運算放大器的一輸出’藉由控制一電流控制 裝置來控制流過—路徑的—電流，該路徑包括串聯輛接 的—第一電阻器、該電流控制裝置、及一第二電阻器； 以及 田該第一電阻器耦合到該電池單元的一正端且該運算 放大器的该第二輸入耦合到該一電池單元的該負端時， 在一輸出端上提供該接地參考的電池單元電壓，該輸出 端耦合到該路徑在該電流控制裝置和該第二電阻器之間 的一第二節點。 14·如請求項13的方法，還包括： 馨 提供該正電源供應電壓到該運算放大器的該正端；以及 提供該負電源供應電壓到該運算放大器的該負電源供 - =，且其中該正電源供應電壓減去該負電源供應電壓 疋差動電源供應電μ，該差動電源供應電塵小於或 等於約5伏特。 15如：求項13的方法’其中該第二電壓回應於該複數個電 池單元中待監測的該電池單元而變化，^其中該方法進 一步包括： 回應於該複數個電池單元中待監測的該電池單元來調 108225-961213.doc 1296459 整該正電源供應電壓，俾使該正電源供應電壓大於該運 算放大器的該第一輸入的該第一電壓；以及 回應於該複數個電池單元中待監測的該電池單元來調 整該負電源供應電壓，俾使該負電源供應電壓小於該運 算放大器的該第二輸入的該第二電壓。 16. 17. 如請求項1 5的方法，進一步包括·· 调整該正電源供應電壓和該負電源供應電壓，俾使該 正電源供應電壓減去該負電源供應電壓為一差動電源供 應電壓’該差動電源供應電壓小於或者等於約5伏特。’、 如請求項13的方法，並φ作兮、办 ，、中從該斤動電池電壓到該接地參 壓的一轉譯增益等於該第二電阻器的值 除以该第一電阻器的值。 108225-961213.doc 100 1296459 96.12. 1 3 第095104652號專利申請案 中文圖式替換頁(96年12月） 十一、圖式： 無線電氣裝置 102 電池組 ^-134 充/放電開關 r VPACK+ 120 電壓轉換器 電路 C 106 103
124 VPACK- 功率管理 控制 圖1A 108225-961213.doc 1296459 第095104652號專利申請案 中文圖式替換頁(96年12月） V 9 ^12. 1 3
108225-961213.doc -2- 1296459 七、指定代表圖·· (一) 本案指定代表圖為：第（2 )圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 103 路徑 106a 開關網路 108a 電池單元 110 (低壓）運算放大器 130a 電壓轉譯器電路 138 節點 140 節點 142 輸出端 191 電流源 195 電流源 204 路徑 212 節點 拳 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： _ (無） 108225-961213.doc
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