TWI474172B - 垂直匯流排電路、電池管理系統以及致能信號傳輸之方法 - Google Patents

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Description

垂直匯流排電路、電池管理系統以及致能信號傳輸之方法
本發明係關於一種匯流排電路，特別是一種用於電池管理系統的垂直匯流排電路。
鋰電池現今被廣泛地應用於環保汽車(例如，電動汽車和混合動力汽車)上。鋰電池中一單一電池單元的工作電壓約為3到4伏特。但電動汽車和混合動力汽車通常需要高於100伏特的電壓，故通常採用串聯多個電池單元的方式驅動電動汽車和混合動力汽車。
在電池管理中，將大量的電池單元劃分為一或多個電池組，且一類比前端(Analog Front End，AFE)設備耦接至每一電池組，以獲得每個電池組或電池單元的狀態，例如，電壓、電流和溫度。然後，將表示電池組或電池單元狀態的數位信號傳輸至微處理器，以執行不同功能，例如，電池保護。這樣，就需要微處理器和每個類比前端設備之間的通信匯流排。
圖1所示為現有技術光耦合器(opto-coupler)垂直匯流排的電池管理系統100的示意圖。類比前端設備122、124和126分別耦接至電池組112、114和116，用於獲得電池組中每個電池單元的狀態。光耦合器模組132、134和136在類比前端設備122、124和126與中央電子控制單元(Central Electronics Control Unit，CECU)140之間建立通信匯流排。匯流排中的每條通路， 即每個光耦合器模組包含兩個光耦合器。
由於光耦合器相對較昂貴且需要幾百個毫安培的電流驅動能力，故傳統之以光耦合器式垂直匯流排為主之電池管理系統100的成本高且功耗大。
為解決上述技術問題，本發明提供了一種垂直匯流排電路，包括：多個匯流排模組，在該多個匯流排模組之間傳輸多個信號，其中，該多個匯流排模組共用多個共同電位，其中，每一該匯流排模組包括一信號路徑和分別由一第一電位和一第二電位供電的兩個輸入/輸出(I/O)設備，且其中該信號路徑致能該兩個I/O設備之間的信號傳輸，且該多個共同電位致能該多個匯流排模組之間的該多個信號傳輸。
本發明還提供一種電池管理系統，包括：多個設備，耦接至包括多個電池單元的一電池，該多個設備可取得多個該電池單元的狀態，其中，每一該設備耦接至該多個電池單元的一群組，且使用不同的多個電壓；以及一控制單元，耦接至該多個設備的一第一設備，該控制單元透過該第一設備與該多個設備中的一目標設備通信，其中，該多個設備所使用的多個電壓係介於該第一設備所使用的一電壓和該目標設備所使用的一電壓之間。
本發明還提供一種致能信號傳輸的方法，包括：在多個匯流排模組中的一第一匯流排模組中的一第一共 同電位和一第二共同電位之間傳輸一信號；以及在該多個匯流排模組中的該第一匯流排模組和一第二匯流排模組之間傳輸該信號，其中該第一匯流排模組和該第二匯流排模組共用該第二共同電位。
以下將對本發明的實施例做出詳細說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。
此外，在以下對本發明的詳細描述中，闡明大量的具體細節以提供針對本發明的全面理解。然而，本技術領域中具有通常知識者應理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在其他實例中，對於習知方法、流程、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。
以下部分詳細描述係以程序、邏輯方塊、步驟、以及其他代表電腦記憶體內資料位元的運算之符號表示之。這些描述與表述係為資料處理技術領域中具有通常知識者用以傳達其工作實質內容的最有效方式。在本發明中，一程序、一邏輯方塊、一步驟或其他等等，被認定為以一自身一致順序之步驟或指令導引產生一所需之結果。這些步驟係需要將物理量(physical quantities)做物理處理(manipulation)。雖然並非必要，但通常這些物理量採用了電信號或磁信號的形式俾使在電腦系統中儲存、傳送、 結合、比較等等。
然而，這些相似的用語皆與適當的物理量有關，且僅僅是在這些物理量上標上方便辨識之標示。除非特別強調，否則顯然從以下述描述可知，在本發明中，這些“傳遞(transmitting)”、“配給(issuing)”、“存取(accessing)”、“轉換(converting)”、“使用(using)”、“供電(powering)”等等之用語，係參考電腦系統或其他類似之電子計算裝置之動作及步驟，這些動作及步驟將代表電腦系統中暫存器及記憶體內之物理(電子)量處理及轉換為其他類似於代表電腦系統記憶體或暫存器內或其他諸如資訊儲存、傳送或顯示裝置內之物理量之其他資料。
本發明實施例係透過以一般文字來描述以電腦可使用的媒體形式(例如，程式模組)存在且透過一或多個電腦或其他設備來執行之電腦可執行指令。一般來說，程式模組執行特定的工作或執行特定抽象資料型態，程式模組包含常規(routine)、程式、物件、元件、資料結構等等。程式模組的功能將因各種不同實施態樣而有所結合或分配。
舉例來說，電腦可用之媒體可包含電腦儲存媒體及通訊媒體，但不以此為限。電腦儲存媒體包含以任何方式或技術實施以儲存例如電腦可讀之指令、資料結構、程式模組或其他資料之可變(volatile)/不可變、可移除/不可移除的電腦儲存媒體。電腦儲存媒體包括隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、電子式可抹除可程式唯讀記憶體(EEPROM)、快閃記憶體或其他記憶體技術，光 碟(CD-ROM)、數位多功能磁碟(DVD)或其他光學儲存，卡式磁帶(cassettes)、磁帶(tape)、磁碟、或其他磁式儲存或其他可用於儲存資料之媒體，但不以此為限。
通訊媒體可使用電腦可讀指令、資料結構、程式模組或其他調變資料信號上之資料，例如載波或其他傳輸機制，且包括任何資訊傳送媒體。術語「調變資料信號」意指具有一或多組特徵組，或以例如在該信號上加密之資訊加密方法而改變之信號。舉例來說，通訊媒體包括例如有線網路或以直接線路相連之有線媒體，或例如聲學的(acoustic)、無線射頻(radio frequency,RF)、紅外線或其他等等無線媒體，但不以此為限。上述媒體之結合亦包含在電腦可讀媒體之範圍中。
此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全的理解，提供了大量的具體細節。然而，於本技術領域中具有通常知識者將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方法、程序、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。
圖2所示為根據本發明一實施例的垂直匯流排電路200示意圖。垂直匯流排電路200包括三個匯流排模組220、230和240，以及多個電阻262、264、266和268。如圖2所示，匯流排模組220、230和240的結構相似。雖然圖2示出了三個匯流排模組，然而本發明並不局限於此。在其他的實施例中，垂直匯流排電路200可包括更多或者更少數量的匯流排模組。
匯流排模組220、230和240可使用不同的電壓。以匯流排模組220為例，從匯流排模組220的輸入端212輸入一匯流排信號，並傳輸至匯流排模組230。在匯流排模組220的輸入端212，低電位電壓為V0，高電位電壓為V1。當匯流排信號被傳輸至匯流排模組230的節點214，低電位電壓為V2，高電位電壓為V3，其中V2和V3分別不同於V0和V1。相似地，匯流排信號可由匯流排模組230傳輸至匯流排模組240。
匯流排模組220、230和240以向上的方向傳輸匯流排信號(參考圖2的方向)。例如，在垂直匯流排電路200中，匯流排220為底部匯流排模組，匯流排模組240為頂部匯流排模組。一匯流排信號從匯流排模組220的輸入端212輸入，並傳輸至匯流排模組240，最後從匯流排模組240的輸出端218輸出。
在一實施例中，匯流排模組220包括上行信號路徑222、反相器272和294、以及場效電晶體284。在一實施例中，上行信號路徑222包括場效電晶體223、224、225、226、227和228、以及反相器229。匯流排模組230包括上行信號路徑232、反相器274和296，以及場效電晶體286。上行信號路徑232包括場效電晶體233、234、235、236、237和238，以及反相器239。匯流排模組240包括上行信號路徑242、反相器276和298，以及場效電晶體288。上行信號路徑242包括場效電晶體243、244、245、246、247和248，以及反相器249。
匯流排模組220、230和240中的上行信號路徑 222、232和242將匯流排信號從低電位轉換到高電位。例如，匯流排模組220中的上行信號路徑222將匯流排信號從低電位(VDD=V1，GND=V0)轉換到高電位(VDD=V3，GND=V2)。
在一實施例中，匯流排模組220中的反相器294和場效電晶體284、電阻264和匯流排模組230中的反相器274將匯流排信號從匯流排模組220傳遞到匯流排模組230。相似地，匯流排模組230中的反相器296和場效電晶體286、電阻266和匯流排模組240中的反相器276將匯流排信號從匯流排模組230傳遞到匯流排模組240。
當輸入至匯流排模組220的輸入端212的匯流排信號為高電位狀態或輸入端212的匯流排信號的電壓為V1，場效電晶體227被關斷，場效電晶體228被開啟，節點252的電壓被拉低。場效電晶體223的閘極電壓被拉低，以導通場效電晶體223。這樣，在場效電晶體223之汲極的節點256的電壓被拉高，透過反相器294，場效電晶體284閘極的電壓被拉低，以關斷場效電晶體284。場效電晶體284耦接至電阻264，在節點214輸出狀態為高電位(電壓為V3)的匯流排信號。
另一方面，當輸入端212的匯流排信號為狀態低電位或輸入端212的匯流排信號的電壓為V0，場效電晶體228被關斷，場效電晶體227被開啟，節點256的電壓被拉低。接著，場效電晶體284閘極電壓被拉高，以導通場效電晶體284。場效電晶體284耦接至電阻264， 在節點214輸出狀態為低電位(電壓為V2)的匯流排信號。
在一實施例中，可加入場效電晶體225和226以分別降低對應節點256和252的全擺動(full swing)。這樣，節點256和252的電壓的從V3全擺動到V2。所以，可以降低功耗，並可提高匯流排信號傳遞速度。
所以，匯流排信號可從匯流排模組220的輸入端212傳至節點214。相似地，匯流排信號可從匯流排模組230的節點214傳至節點216，然後，通過匯流排模組240，在輸出端218輸出。換言之，匯流排信號從低電壓電位(VDD=V1，GND=V0)被轉換為高電壓電位(VDD=V7，GND=V6)。這樣，當輸入在輸入端212的匯流排信號的狀態為高電位時，在輸出端218所輸出的匯流排信號的狀態為高電位，即OUT=1；當輸入在輸入端212的匯流排信號的狀態為低電位時，在輸出端218所輸出的匯流排信號的狀態為低電位，即OUT=0。
圖3所示為根據本發明一實施例垂直匯流排電路300的示意圖。垂直匯流排電路300包括三個匯流排模組320、330和340、以及多個電阻362、364、366和368。如圖3所示，匯流排模組320、330和340相似。雖然圖3出示了三個匯流排模組，但本發明並不局限於此。
匯流排模組320、330和340可使用不同的電壓。以匯流排模組320為例，一匯流排信號從匯流排模組320的輸入端312輸入，且被傳遞至匯流排模組330。 在匯流排模組320的輸入端312，低電位電壓為V6，高電位電壓為V7。當匯流排信號被傳遞至匯流排模組330的節點314，低電位電壓為V4，高電位電壓為V5。相似地，匯流排信號可由匯流排模組330被傳遞至匯流排模組340。
匯流排模組320、330和340以向下的方向傳輸匯流排信號(參考圖3的方向)。例如，在垂直匯流排電路300中，匯流排模組320為頂部匯流排模組，匯流排模組340為底部匯流排模組。一匯流排信號從匯流排模組320的輸入端312輸入，且被傳遞至匯流排模組340，並從匯流排模組340的輸出端318輸出。
在一實施例中，匯流排模組320包括下行信號路徑322、反相器372和394、以及場效電晶體384。在一實施例中，下行信號路徑322包括場效電晶體323、324、325、326、327和328、以及反相器329。匯流排模組330包括下行信號路徑332、反相器374和396、以及場效電晶體386。下行信號路徑332包括場效電晶體333、334、335、336、337和338、以及反相器339。匯流排模組340包括下行信號路徑342、反相器376和398、以及場效電晶體388。下行信號路徑342包括場效電晶體343、344、345、346、347和348、以及反相器349。
匯流排模組320、330和340中的下行信號路徑322、332和342將匯流排信號從高電位轉換至低電位。例如，匯流排模組320中的下行信號路徑322將匯流排信號從高電位(VDD=V7，GND=V6)轉換為低電位(VDD=V5， GND=V4)。
在一實施例中，匯流排模組320中的反相器394和場效電晶體384、電阻364和匯流排模組330中的反相器374將匯流排信號從匯流排模組320傳遞到匯流排模組330。相似地，在一實施例中，匯流排模組330中的反相器396和場效電晶體386、電阻366和匯流排模組340中的反相器376將匯流排信號從匯流排模組330傳遞到匯流排模組340。
當輸入匯流排模組320的輸入端312的匯流排信號的狀態為高電位(即IN=1)或輸入在輸入端312的匯流排信號的電壓為V7，則場效電晶體328被關斷，且場效電晶體327被導通，因此，節點356的電壓被拉高。接著，場效電晶體384的閘極電壓被拉低，以關斷場效電晶體384。場效電晶體384被耦接至電阻364以在節點314輸出匯流排信號，且匯流排信號的狀態為高電位(電壓為V5)。
另一方面，當輸入至輸入端312的匯流排信號的狀態為低電位(即IN=0)或輸入在輸入端312的匯流排信號的電壓為V6，則場效電晶體327被關斷，且場效電晶體328被導通，因此，節點352的電壓被拉高。場效電晶體323的閘極電壓被拉高，以導通場效電晶體323。這樣，在場效電晶體323汲極的節點356的電壓被拉低，透過反相器394將場效電晶體384的閘極電壓拉高，以導通電晶體384。場效電晶體384耦接至電阻364以在節點314輸出匯流排信號，且匯流排信號的狀態為 低電位(電壓為V4)。
在一實施例中，加入場效電晶體325和326以分別降低節點356和352的電壓全擺動。這樣，節點356和352的電壓分別從V5全擺動到V4。所以，功耗降低，匯流排信號傳遞速度提高。
所以，匯流排信號透過匯流排模組320從輸入端312傳遞至節點314。相似地，匯流排信號透過匯流排模組330從節點314傳遞至節點316，然後透過匯流排模組340從輸出端318輸出。這樣，當輸入至輸入埠312的匯流排信號的狀態為高電位，輸出端318的輸出信號的狀態為高電位，即OUT=1；當輸入至輸入端312的匯流排信號的狀態為低電位，輸出端318的輸出信號的狀態為低電位，即OUT=0。
圖4所示為根據本發明一實施例垂直匯流排電路400的示意圖。電池410包括三個電池組412、414和416。在圖4之範例中，垂直匯流排電路400為單線匯流排，且包括三個匯流排模組420、430和440、以及多個電阻462、464、466和468。在一實施例中，每個匯流排模組420、430和440相同，且可整合為一晶片。
雖然垂直匯流排電路400耦接至電池410，且用於在電池管理系統中傳輸信號，但本發明不僅限於此。雖然圖4示出了三個匯流排模組，但本發明並不以此為限。
每個電池組412、414和416包括多個彼此串聯耦接之電池單元。模組化之電池410提供八個電壓V0、V1、V2、V3、V4、V5、V6和V7。在一實施例中，V1和V0之間的 電壓差、V3和V2之間的電壓差、V5和V4之間的電壓差、和V7和V6之間的電壓差皆相等。電壓差可能等於一電池組中一個電池單元的電壓，或者可能等於一電池組中幾個電池單元之電壓和。
在圖4之範例中，匯流排模組420包括信號路徑和輸入/輸出(I/O)設備426和428。相似的，匯流排模組430包括信號路徑和I/O設備436和438。匯流排模組440包括信號路徑和I/O設備446和448。在一實施例中，匯流排模組420中的信號路徑可包括上行信號路徑422和下行信號路徑424。相似的，匯流排模組430中的信號路徑包括上行信號路徑432和下行信號路徑434。匯流排模組440中的信號路徑包括上行信號路徑442和下行信號路徑444。
在一實施例中，上行信號路徑422、432和442相似於圖2中所示之上行信號路徑222、232和242。在一實施例中，下行信號路徑424、434和444相似於圖3中所示之下行信號路徑322、332和342。
在另一實施例中，垂直匯流排電路400為雙線匯流排，每個匯流排模組包括兩個上行信號路徑、兩個下行信號路徑和四個I/O設備。
有利的是，匯流排模組420、430和440共用多個共同電位。此外，多個共同電位致能匯流排模組420、430和440之間的信號傳輸。例如，匯流排模組420中的I/O設備426和428分別由電位(VDD=V1，GND=V0)和電位(VDD=V3，GND=V2)供電。匯流排模組430中的 I/O設備436和438分別由電位(VDD=V3，GND=V2)和電位(VDD=V5，GND=V4)供電。所以，匯流排模組420和430共用電位(VDD=V3，GND=V2)，該電位致能匯流排模組420和430之間的信號傳輸。
在一實施例中，電池組中之一電池單元的電壓被用為共同電位，或電池組中多個電池單元的電壓和被用為共同電位。換言之，一電池組中的至少一個電池的電壓被用為共同電位。
在圖4之範例中，I/O設備426包括與圖2中所示之反相器272類似的反相器472、與圖3中所示之反相器398類似的反相器498以及與圖3中所示之場效電晶體388類似的場效電晶體488。I/O設備428、436、438、446以及448與I/O設備426相似，在此不再贅述。有利的是，如圖2和圖3所述，每個匯流排模組的信號路徑致能匯流排模組中的兩個I/O設備之間的信號傳輸。
匯流排模組420、430和440中之節點402、404、406和408被作為I/O埠。如前所述，每個節點的匯流排信號可以上行和下行的方向傳輸。例如，節點402的匯流排信號可被傳輸至節點404、406和408，且匯流排信號亦可從節點404、406和408傳輸，且在節點402接收。這樣，對於單線匯流排，每一匯流排模組420、430和440使用兩個I/O埠(例如，匯流排模組420的節點402和404)。在另一實施例中，對於雙線匯流排，匯流排模組使用四個I/O埠。所以，匯流排模組的晶片的接腳數可減少。
I/O設備皆為開汲極(open-drain)，這樣，I/O設備相對較為彈性，可為內積體電路(I2C)、序列週邊介面(SPI)或其他類型的匯流排。此外，垂直匯流排電路400在靜態時不會產生功耗。垂直匯流排電路400的每個匯流排模組內所傳輸的匯流排信號係為差分信號。例如，在上行信號路徑422中，場效電晶體423的導通或關斷係由節點452和節點456之間的電壓差決定。這樣，可得到相對較快的信號傳輸速度和較好的容錯性(tolerance)。
如上所述，每個電池組412、414和416的一電池單元電壓或多個電池單元的電壓和被提供於致能匯流排模組之間的信號傳輸。這樣，匯流排信號的全擺動即介於在一或多個電池單元電壓之範圍內。有利的是，當多個電池單元電壓之和被用於致能匯流排模組之間的信號傳輸時，可降低匯流排信號的全擺動。因此，可獲得更好的匯流排信號的容錯性。
由於每一節點之操作電壓係介於I/O設備供電電壓之範圍內，故節點402、404、406和408無須承受過電壓之暫態。如圖4所示，供電電壓之範圍係為一電池單元的電壓。例如，節點402的工作電壓係介於電池組412中的電池單元482的電壓範圍內，從V0到V1。
圖5所示為根據本發明另一實施例垂直匯流排電路500的示意圖。圖5中與圖4相同元件符號之元件具有類似之功能。電池410包括三個電池組412、414和416。在圖5所示之實施例中，垂直匯流排電路500為單線匯 流排，且包括三個匯流排模組520、530和540、以及多個電阻462、464和466。在一實施例中，每個匯流排模組520、530和540相同，可以整合為一晶片。
雖然垂直匯流排電路500耦接至電池410，且用於致能電池管理系統中之信號傳輸，但本發明不僅限於此。雖然圖5示出了三個匯流排模組，但本發明不以此為限。
在圖5所示之實施例中，匯流排模組520包括信號路徑、電壓調節器(例如，低壓差穩壓器LDO)552和I/O設備426和428。相似的，匯流排模組530包括信號路徑、電壓調節器554和I/O設備436和438。匯流排模組540包括信號路徑、電壓調節器556和I/O設備446和448。在一實施例中，匯流排模組520的信號路徑包括上行信號路徑422和下行信號路徑424。相似的，匯流排模組530的信號路徑包括上行信號路徑432和下行信號路徑434。匯流排模組540的信號路徑包括上行信號路徑442和下行信號路徑444。
在另一實施例中，垂直匯流排電路500為雙線匯流排，每個匯流排模組包括兩個上行信號路徑、兩個下行信號路徑和四個I/O設備。
有利的是，匯流排模組520、530和540共用多個共同電位。此外，多個共同電位致能匯流排模組520、530和540之間的信號傳輸。例如，匯流排模組520中的I/O設備426和428分別由電位(VDD=V1，GND=V0)和電位(VDD=V3，GND=V2)供電。匯流排模組530中的 I/O設備436和438分別由電位(VDD=V3，GND=V2)和電位(VDD=V5，GND=V4)供電。所以，匯流排模組520和530共用電位(VDD=V3，GND=V2)，該電位致能匯流排模組520和530之間的信號傳輸。
在一實施例中，每個共同電位係由每個電池組中的一個電池單元電壓和電壓調節器的輸出電壓所提供。例如，電壓V4為電池組414中電池單元494的正極端電壓，電壓V2為電池組412中電池單元492的正極端電壓。電壓V4被提供至匯流排模組530的電壓調節器554，且由電壓調節器554輸出一輸出電壓V3。這樣，輸出電壓V3和電壓V2被提供以致能匯流排模組530和520之間的匯流排信號傳輸。
有利的是，如圖2和3所述，每個匯流排模組的信號路徑致能匯流排模組中的兩個I/O設備之間的信號傳輸，在此不再贅述。
電壓調節器552、554和556的輸出電壓相對較為穩定且可提供較穩定的電能，以致能垂直匯流排電路500中之匯流排信號傳輸。這樣，垂直匯流排電路500不會受到因快速充電或放電而導致電池單元電壓波動的影響，因此更具可靠性。
每個電池組412、414和416中的電池單元的最大數量係由耦接於電池組之匯流排模組中的場效電晶體所能允許的最大汲極-源極電壓Vds和頂部匯流排模組中之電壓調節器的輸出電壓決定。例如，如圖5所示，匯流排模組520中的電晶體425和427所允許的最大汲極 -源極電壓Vds等於V3和V2之差加上電池組412所提供的電壓，其中，V3和V2之差為匯流排模組530中的電壓調節器554的輸出電壓。這樣，電池組412中的電池單元的最大數量可由方程式(1)表示：N=(Vds-VLDO)/Vcell (1)
其中，N為電池組412中的最大電池單元數量，Vds為電晶體425和427允許的最大汲極-源極電壓Vds，VLDO為匯流排模組530中的電壓調節器554的輸出電壓，Vcell為電池單元電壓。
圖6所示為根據本發明一實施例電池管理系統的垂直匯流排拓撲600的示意圖。垂直匯流排拓撲600用於I2C匯流排應用。垂直匯流排拓撲600包括匯流排模組620、630和640。匯流排模組620、630和640分別耦接至電池組612、614和616。這樣，匯流排模組620、630和640使用不同的電壓。
有利的是，匯流排模組620、630和640共用多個共同電位。在一實施例中，每個電池組612、614和616中的一個電池單元電壓被用為共同電位。例如，電池組612中的電池單元604被用為匯流排模組620和630共用的共同電位。電池組614中的電池單元606被用為匯流排模組630和640共用的共同電位。共同電位致能匯流排模組620、630和640之間的信號傳輸。例如，電池單元604的電壓致能匯流排模組620和630間的信號傳輸。
如上所述，每個匯流排模組620、630和640採用 匯流排協定(例如，I2C匯流排協定)與其他匯流排模組通信。
雖然圖6示出了三個匯流排模組，但本發明並不以此為限。
或者，在一實施例中，每個電池組612、614和616中的兩個或多個電池單元電壓之和被用為共同電位以致能信號傳輸，進而獲得更好的信號全擺動和較佳的容錯性。
圖7所示為根據本發明另一實施例電池管理系統的垂直匯流排拓撲700的示意圖。垂直匯流排拓撲700用於I2C匯流排應用。垂直匯流排拓撲700包括匯流排模組720、730和740。匯流排模組720、730和740分別耦接至電池組712、714和716。在圖7所示之範例中，匯流排模組720、730和740中分別包括電壓調節器752、754和756。在這一實施例中，電壓調節器可以為低壓差穩壓器。
雖然圖7示出了三個匯流排模組，但本發明並不以此為限。
有利的是，匯流排模組720、730和740共用多個共同電位。此外，共同電位致能匯流排模組720、730和740間的信號傳輸。每個共同電位由每個電池組712、714和716中的一個電池單元的正極端電壓和電壓調節器的輸出電壓提供。例如，電池組714中電池單元704的正極端電壓被提供至電壓調節器754，由電壓調節器754輸出一輸出電壓。這樣，電壓調節器754的輸 出電壓和電池組712中的電池702的正極端電壓提供匯流排模組720和730所共用的共同電位。如上所述，每個匯流排模組720、730和740採用匯流排協定(例如，I2C匯流排協定)與其他匯流排模組通信。
圖8所示為根據本發明一實施例電池管理系統800的示意圖。電池管理系統800包括電池810、類比前端設備820、830和840、以及中央電子控制單元860。電池810包括電池組812、814和816。類比前端設備820、830和840分別耦接至電池組812、814和816。在這種情況，類比前端設備820、830和840分別使用電池組812、814和816所提供之電壓。這樣，類比前端設備820、830和840使用不同的電壓。
雖然圖8示出了三個匯流排模組，但本發明並不局限於此。
在一實施例中，中央電子控制單元860耦接至電池管理系統800中的底部類比前端設備820。有利的是，中央電子控制單元860可透過類比前端設備820、類比前端設備820、830和840的組合與目標類比前端設備通信。上述類比前端設備820、830和840的組合使用介於類比前端設備820所使用的電壓和目標類比前端設備所使用的電壓之間的電壓。例如，信號可從中央電子控制單元860傳送，透過類比前端設備820和類比前端設備830傳送至類比前端設備840。類比前端設備830所使用的電壓係介於類比前端設備820使用的電壓和類比前端設備840使用的電壓之間。
類比前端設備820、830和840共用的共同電位致能類比前端設備820、830和840之間的匯流排信號傳輸。在一實施例中，每個電池組812、814和816中的一電池單元電壓被用為是共同電位。例如，電池組812中的電池單元804的電壓被用為是共同電位，且致能類比前端設備820和830之間的信號傳輸。
或者，在一實施例中，每個電池組中812、814和816的兩個或多個電池單元電壓之和被用為是共同電位，以致能信號傳輸，進而獲得更好的信號全擺動和較佳的容錯性。
在一實施例中，類比前端設備820、830和840相同，可整合為一晶片。在圖8的實施例中，類比前端設備820包括監測模組822、匯流排模組824、類比數位轉換器(ADC)826、匯流排引擎828以及I/O設備(未圖示)。相似地，類比前端設備830包括監測模組832、匯流排模組834、類比數位轉換器836、匯流排引擎838以及I/O設備(未圖示)。類比前端設備840包括監測模組842、匯流排模組844、類比數位轉換器846、匯流排引擎848以及I/O設備(未圖示)。在一實施例中，每個匯流排模組824、834和844分別包括以上行方向傳輸匯流排信號的上行信號路徑(例如，圖4中的上行信號路徑422)，以及以下行方向傳輸匯流排信號的下行信號路徑(例如，圖4中的下行信號路徑424)。
類比前端設備820、830和840用於擷取對應電池組中電池單元的狀態，並透過垂直匯流排與中央電子控 制單元860通信。在一實施例中，垂直匯流排包含匯流排模組824、834和844、匯流排引擎828、838和848、以及I/O設備。每一類比前端設備中的I/O設備分別由不同的電位供電。每一類比前端設備中的匯流排模組可在I/O設備間傳輸信號。
在一實施例中，以類比前端設備820為例，類比前端設備820中的監測模組822選擇電池組812中的一個電池單元，並提供該電池單元的狀態至類比數位轉換器826。類比前端設備820的類比數位轉換器826將此電池單元的狀態(其為類比信號)轉換為數位信號，且將此數位信號傳輸至匯流排引擎828。匯流排引擎828為類比前端設備820中的控制器，能與中央電子控制單元860通信。
每個類比前端設備820、830和840可以主(master)模式或從(slave)模式與中央電子控制單元860通信。當類比前端設備工作在主模式時，類比前端設備的匯流排引擎發出信號並與中央電子控制單元860通信。例如，當類比前端設備840工作在主模式，匯流排引擎848發送一警告信號給中央電子控制單元860。警告信號透過垂直匯流排傳輸至匯流排引擎838和828，然後再傳輸至中央電子控制單元860。當類比前端設備工作在從模式時，中央電子控制單元860發送一信號以與前端類比設備中之匯流排引擎通信。例如，當類比前端設備840工作在從模式時，來自中央電子控制單元860的信號透過垂直匯流排被傳輸至類比前端設備820中的匯流排引 擎828，然後再傳輸至類比前端設備840的匯流排引擎848。
當電池管理系統800採用雙線匯流排協定，每個匯流排引擎採用三線匯流排以獲得較好的容錯性。如圖8所示，匯流排引擎828的左側有三個埠A、B和C，右側有三個埠Ai、Bi和Ci。例如，若埠A、B、Ai和Bi被設定為傳輸匯流排信號的預設埠，且若埠B出錯，埠C可當作備用埠傳輸匯流排信號。這樣，可以獲得較好的容錯性。在一實施例中，當電池管理系統800採用單線匯流排協定，每個匯流排引擎採用雙線以獲得較好的容錯性。換言之，當因某些原因無法使用預設線，每個匯流排引擎採用備用線代替預設線。
在一實施例中，電池單元802、804和806提供參考電壓供線上診斷(識別問題)和校正。換言之，類比前端設備820、830和840共用的共同電位可用於線上診斷和校正。更具體地說，在一實施例中，中央電子控制單元860還包括精準的類比數位轉換器(未圖示)進行線上診斷和校正。上述“精準的類比數位轉換器”或“精準的轉換器”係指類比數位轉換器/轉換器轉換一電壓至一值，且該值和真實值的差值小於一臨界值。電池單元802之電壓係透過中央電子控制單元860中之精準的類比數位轉換器以及類比前端設備820中之內比數位轉換器826進行轉換。若兩個轉換結果不同，則校正類比數位轉換器826。相似地，電池單元804之電壓透過校正後之類比數位轉換器826和類比前端設備830中 的類比數位轉換器836進行轉換，進而診斷和校正類比數位轉換器836。所以，類比前端設備820、830和840中的所有類比數位轉換器可被診斷和校正。因此，在電池管理系統800中可相對容易地實現線上診斷和校正。
外部的精準參考電壓(未圖示)可被用作如上所述的參考電壓以對類比數位轉換器進行線上診斷和校正。
圖9所示為根據本發明另一實施例電池管理系統900的示意圖。圖9中與圖8具有相同元件符號之元件有相同之功能，在此不再贅述。電池管理系統900包括電池810、類比前端設備920、930和940、以及中央電子控制單元860。電池810包括電池組812、814和816。耦接至電池810的類比前端設備920、930和940可取得電池810中的電池單元狀態。耦接至類比前端設備920的中央電子控制單元860可與類比前端設備920、930和940中的目標類比前端設備通信。
雖然圖9示出了三個匯流排模組，但本發明並不以此為限。
在一實施例中，類比前端設備920、930和940相同，可以整合為晶片。在一實施例中，類比前端設備920包括監測模組822、匯流排模組824、類比數位轉換器826、匯流排引擎828、電壓調整器952、以及I/O設備(未圖示)。相似地，類比前端設備930包括監測模組832、匯流排模組834、類比數位轉換器836、匯流排引擎838、電壓調整器954、以及I/O設備(未圖示)。類比前端設備940包括監測模組842、匯流排模組844、 類比數位轉換器846、匯流排引擎848、電壓調整器956、以及I/O設備(未圖示)。在一實施例中，電壓調整器952、954和956可為低壓降穩壓器。
在一實施例中，每一電池組812、814和816中的一個電池單元的正極端電壓和電壓調整器952、954和956的輸出電壓提供一共同電位，以致能類比前端設備920、930和940之間的匯流排信號傳輸。例如，電池組812中的電池單元804的正極端電壓和類比前端設備930中的電壓調整器954的輸出電壓提供一共同電位，以致能類比前端設備920和930之間的信號傳輸。
在一實施例中，電壓調整器952、954和956提供參考電壓供線上診斷和校正。在一實施例中，中央電子控制單元860還包括精準的類比數位轉換器(未圖示)進行線上診斷和校正。在這種情況，每個電壓調整器的輸出電壓透過精準的類比數位轉換器和類比前端設備920、930和940中的類比數位轉換器進行轉換，在此不再贅述。
外部的精準參考電壓(未圖示)可被用作如上所述的參考電壓以對類比數位轉換器進行線上診斷和校正。
圖10所示為根據本發明一實施例致能信號傳輸之方法流程1000。圖10將結合圖4進行描述。
在步驟1002中，信號在電位(VDD=V1，GND=V0)和電位(VDD=V3，GND=V2)間傳輸。匯流排模組420中的I/O設備426係由電位(VDD=V1，GND=V0)供電。匯流排模組420中的I/O設備428由電位(VDD=V3，GND=V2) 供電。上行信號路徑從I/O設備426傳輸信號至I/O設備428。下行信號路徑從I/O設備428傳輸信號至I/O設備426。
在步驟1004中，信號在匯流排模組420和430間傳輸。匯流排模組420和430共用之共同電位(VDD=V3，GND=V2)致能它們之間的信號傳輸。
上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離後附申請專利範圍所界定的本發明精神和保護範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本技術領域中具有通常知識者應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本發明之範圍由後附申請專利範圍及其合法均等物界定，而不限於此前之描述。
100‧‧‧電池管理系統
112、114、116‧‧‧電池組
122、124、126‧‧‧類比前端設備
132、134、136‧‧‧光耦合器模組
140‧‧‧中央電子控制單元
200‧‧‧垂直匯流排電路
212‧‧‧輸入端
214‧‧‧節點
218‧‧‧輸出端
220‧‧‧匯流排模組
222‧‧‧上行信號路徑
223~228‧‧‧場效電晶體
229‧‧‧反相器
230‧‧‧匯流排模組
232‧‧‧上行信號路徑
233~238‧‧‧場效電晶體
239‧‧‧反相器
240‧‧‧匯流排模組
242‧‧‧上行信號路徑
243~248‧‧‧場效電晶體
249‧‧‧反相器
252、256‧‧‧節點
262、264、266、268‧‧‧電阻
272、274、276‧‧‧反相器
284、286、288‧‧‧場效電晶體
294、296、298‧‧‧反相器
300‧‧‧垂直匯流排電路
312‧‧‧輸入端
314‧‧‧節點
318‧‧‧輸出端
320‧‧‧匯流排模組
322‧‧‧下行信號路徑
325‧‧‧場效電晶體
326‧‧‧場效電晶體
323~328‧‧‧場效電晶體
329‧‧‧反相器
330‧‧‧匯流排模組
332‧‧‧下行信號路徑
333~338‧‧‧場效電晶體
339‧‧‧反相器
340‧‧‧匯流排模組
342‧‧‧下行信號路徑
343~348‧‧‧場效電晶體
349‧‧‧反相器
352‧‧‧節點
356‧‧‧節點
362、364、366、368‧‧‧電阻
372、374、376‧‧‧反相器
384、386、388‧‧‧場效電晶體
394、396、398‧‧‧反相器
400‧‧‧垂直匯流排電路
402、404、406、408‧‧‧節點
410‧‧‧電池
412、414、416‧‧‧電池組
420‧‧‧匯流排模組
422‧‧‧上行信號路徑
423‧‧‧場效電晶體
424‧‧‧下行信號路徑
425‧‧‧場效電晶體
426‧‧‧輸入/輸出(I/O)設備
427‧‧‧場效電晶體
428‧‧‧輸入/輸出(I/O)設備
430‧‧‧匯流排模組
432‧‧‧上行信號路徑
434‧‧‧下行信號路徑
436、438‧‧‧輸入/輸出設備
440‧‧‧匯流排模組
442‧‧‧上行信號路徑
444‧‧‧下行信號路徑
446、448‧‧‧輸入/輸出設備
452、456‧‧‧節點
462、464、466、468‧‧‧電阻
472‧‧‧反相器
482‧‧‧電池單元
488‧‧‧場效電晶體
492、494‧‧‧電池單元
498‧‧‧反相器
500‧‧‧垂直匯流排電路
520‧‧‧匯流排模組
530‧‧‧匯流排模組
540‧‧‧匯流排模組
552、554、556‧‧‧電壓調節器
600‧‧‧垂直匯流排拓撲
604、606‧‧‧電池單元
612、614、616‧‧‧電池組
620‧‧‧匯流排模組
630‧‧‧匯流排模組
640‧‧‧匯流排模組
700‧‧‧垂直匯流排拓撲
702、704‧‧‧電池單元
712、714、716‧‧‧電池組
720‧‧‧匯流排模組
730‧‧‧匯流排模組
740‧‧‧匯流排模組
752、754、756‧‧‧電壓調節器/低壓差穩壓器
800‧‧‧電池管理系統
802、804、806‧‧‧電池單元
810‧‧‧電池
812、814、816‧‧‧電池組
820‧‧‧類比前端設備
822‧‧‧監測模組
824‧‧‧匯流排模組
826‧‧‧類比數位轉換器
828‧‧‧匯流排引擎
830‧‧‧類比前端設備
832‧‧‧監測模組
834‧‧‧匯流排模組
836‧‧‧類比數位轉換器
838‧‧‧匯流排引擎
840‧‧‧類比前端設備
842‧‧‧監測模組
844‧‧‧匯流排模組
846‧‧‧類比數位轉換器
848‧‧‧匯流排引擎
860‧‧‧中央電子控制單元
900‧‧‧電池管理系統
920、930、940‧‧‧類比前端設備
952、954、956‧‧‧電壓調整器
1000‧‧‧方法流程
1002、1004‧‧‧步驟
以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中：圖1所示為現有技術光耦合式垂直匯流排的電池管理系統的示意圖。
圖2所示為根據本發明一實施例的垂直匯流排電路示意圖。
圖3所示為根據本發明一實施例垂直匯流排電路的示意圖。
圖4所示為根據本發明一實施例垂直匯流排電路的示意圖。
圖5所示為根據本發明另一實施例垂直匯流排電路的示意圖。
圖6所示為根據本發明一實施例電池管理系統的垂直匯流排拓撲的示意圖。
圖7所示為根據本發明另一實施例電池管理系統的垂直匯流排拓撲的示意圖。
圖8所示為根據本發明一實施例電池管理系統的示意圖。
圖9所示為根據本發明另一實施例電池管理系統的示意圖。
圖10所示為根據本發明一實施例致能信號傳輸之方法流程。
200‧‧‧垂直匯流排電路
212‧‧‧輸入端
214‧‧‧節點
218‧‧‧輸出端
220‧‧‧匯流排模組
222‧‧‧上行信號路徑
223~228‧‧‧場效電晶體
229‧‧‧反相器
230‧‧‧匯流排模組
232‧‧‧上行信號路徑
233~238‧‧‧場效電晶體
239‧‧‧反相器
240‧‧‧匯流排模組
242‧‧‧上行信號路徑
243~248‧‧‧場效電晶體
249‧‧‧反相器
252、256‧‧‧節點
262、264、266、268‧‧‧電阻
272、274、276‧‧‧反相器
284、286、288‧‧‧場效電晶體
294、296、298‧‧‧反相器

Claims (20)

  1. 一種垂直匯流排電路，包括：多個匯流排模組，在該多個匯流排模組之間傳輸多個信號，其中，該多個匯流排模組共用多個共同電位，其中，每一該匯流排模組包括一信號路徑、由一第一共同電位供電的一第一輸入/輸出(I/O)設備和由一第二共同電位供電的一第二輸入/輸出(I/O)設備，且其中該信號路徑致能該第一輸入/輸出設備和該第二輸入/輸出設備之間的多個信號傳輸，且其中該多個共同電位致能該多個匯流排模組之間的該多個信號傳輸，且該信號路徑所傳輸之多個信號包括一差分信號，並利用一第一電壓和一第二電壓之間之一電壓差傳輸該多個信號，其中，該第一電壓和該第二電壓由該多個共同電位確定。
  2. 如申請專利範圍第1項的垂直匯流排電路，其中，該信號路徑包括一上行信號路徑和一下行信號路徑，且其中，該上行信號路徑和該下行信號路徑共用該第一輸入/輸出設備和該第二輸入/輸出設備。
  3. 如申請專利範圍第1項的垂直匯流排電路，其中，每一該匯流排模組耦接一電池的多個電池單元，且其中，該多個電池單元中的至少一電池單元電壓被用於該多個共同電位。
  4. 如申請專利範圍第1項的垂直匯流排電路，其中，每一該匯流排模組耦接一電池的多個電池單元，且其中，每一該匯流排模組還包括一電壓調節器，且其中，該多個共同電位係由該多個電池單元中的其中之一的一正極端電壓 和該電壓調節器的一輸出電壓提供。
  5. 一種電池管理系統，包括：多個設備，耦接包括多個電池單元的一電池，該多個設備可取得該多個電池單元的一狀態，其中，每一該設備耦接至該多個電池單元的一群組，且使用不同的多個電壓；以及一控制單元，耦接該多個設備的一第一設備，該控制單元透過該第一設備與該多個設備中的一目標設備通信，其中，該多個設備中的一群組所使用的多個電壓係介於該第一設備所使用的一電壓和該目標設備所使用的一電壓之間，其中，每一該設備包括一差分電路，該差分信號利用一第一電壓和一第二電壓間之一電壓差指示多個該電池單元的該狀態，且其中該第一電壓和該第二電壓由不同的該多個電壓確定。
  6. 如申請專利範圍第5項的電池管理系統，其中，該多個設備由該多個電池單元供電，其中該第一設備包括由該多個電池單元中最低電位的一電池單元供電之一設備。
  7. 如申請專利範圍第5項的電池管理系統，其中，該差分電路包括一第一開關和一第二開關，且其中，該第一電壓為該第一開關的一節點電壓，該第二電壓為該第二開關的一節點電壓。
  8. 如申請專利範圍第5項的電池管理系統，其中，該多個設備共用多個共同電位，其中，每一該共同電位致能共用該多個共同電位之該多個設備中的該第一設備和該多個設備中的一第二設備之間的通信。
  9. 如申請專利範圍第8項的電池管理系統，其中，每一該設備包括一第一輸入/輸出(I/O)設備和一第二輸入/輸出設備，其中，該第一輸入/輸出設備係由該多個共同電位的一第一共同電位供電，該第二輸入/輸出設備係由該多個共同電位的一第二共同電位供電。
  10. 如申請專利範圍第9項之電池管理係統，其中，該第一輸入/輸出設備和該第二輸入/輸出設備係開汲極。
  11. 係如申請專利範圍第9項的電池管理系統，其中，每一該設備包括一上行信號路徑和一下行信號路徑，其中該上行信號路徑和該下行信號路徑共用該第一輸入/輸出設備和該第二輸入/輸出設備。
  12. 如申請專利範圍第8項的電池管理系統，其中，每一該共同電位係由在該多個電池單元的該群組中的至少一電池單元的一電壓所提供。
  13. 如申請專利範圍第8項的電池管理系統，其中，每一該設備包括一電壓調節器，其中每一該共同電位係由該在多個電池單元的該群組中的一電池單元的一正極端電壓和該電壓調節器的一輸出電壓提供。
  14. 如申請專利範圍第5項的電池管理系統，其中，該多個設備包括多個類比數位轉換器，其中該多個共同電位係設置為診斷該多個類比數位轉換器。
  15. 如申請專利範圍第5項的電池管理系統，其中，每一該設備包括一匯流排引擎，且該匯流排引擎使用一預設線進行信號傳輸，其中，若無法使用該預設線，則使用一備用線代替該預設線。
  16. 一種致能信號傳輸的方法，包括：在多個匯流排模組中的一第一匯流排模組中的一第一共同電位和一第二共同電位之間傳輸一信號；該信號係一差分信號，利用一第一電壓和一第二電壓間之一電壓差傳輸該信號，其中該第一電壓和該第二電壓由不同的多個電壓確定；以及在該多個匯流排模組中的該第一匯流排模組和一第二匯流排模組之間傳輸該信號，其中該第一匯流排模組和該第二匯流排模組共用該第二共同電位。
  17. 如申請專利範圍第16項的方法，進一步包括：使用一第一轉換器將一第一參考電壓轉換至一第一值；使用一第二轉換器將該第一參考電壓轉換至一第二值；以及比較該第一值和該第二值以診斷該第二轉換器。
  18. 如申請專利範圍第17項的方法，進一步包括：根據一比較結果校正該第二轉換器；利用該第二轉換器將一第二參考電壓轉換至一第三值；利用一第三轉換器將該第二參考電壓轉換至一第四值；以及比較該第三值和該第四值以診斷該第三轉換器。
  19. 如申請專利範圍第18項的方法，其中，該第二參考電壓包括該第二共同電位。
  20. 如申請專利範圍第16項的方法，其中，該第一共同電位對該第一匯流排模組的一第一輸入/輸出(I/O)設備供電，該第二共同電位對該第一匯流排模組的一第二I/O設備 供電。
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