TWI500947B - 電池電壓檢測電路 - Google Patents

Description

電池電壓檢測電路

本發明是有關於一種鋰(lithium)電池等二次電池的保護電路，特別是有關於一種使用有多工器(multiplexer)的保護電路的電池電壓檢測電路。

通常，於鋰電池等二次電池中，為了免受過充電或過放電等的影響而使用保護電路。保護電路包括用以偵測電池的電壓的電壓偵測單元，但於保護串聯連接的多個電池的情形時，需要與各個電池對應的多個電壓偵測單元，從而進行電路的大規模化‧高耐壓化。

圖3中表示習知的使用有多工器的電池電壓檢測電路的電路圖。習知的使用有多工器的電池電壓檢測電路包括電池電源裝置11、電池11a、開關(switch)21、開關22、開關23、開關24、飛馳電容器(flying capacitor)28、飛馳電容器29、放大器(amplifier)25、類比/數位(Analog to Digital，A/D)轉換器26、及控制裝置30。開關21包含常開接點21a、常開接點21b，開關23包含常開接點23a、常開接點23b，開關24包含常開接點24a、 常開接點24b。

於檢測電池11a的電壓時，開關21~開關24設為斷開(開)狀態。於此種狀態下，首先將開關21設為接通狀態，將常開接點21a、常開接點21b分別設為閉狀態。藉此，電池11a的電壓被施加至經串聯連接的飛馳電容器28、飛馳電容器29而儲存電荷。

於持續規定時間接通開關21後，開關21被設為斷開狀態，常開接點21a、常開接點21b分別成為開狀態。藉此，於飛馳電容器28、飛馳電容器29中儲存相當於電池11a的電壓的電荷。

此後，接通開關22與開關24，藉由接通開關22而飛馳電容器28、飛馳電容器29的連接點為被連接於接地端(ground)的狀態並固定為0V。而且，接通開關24，常開接點24a、常開接點24b分別成為閉狀態，藉此放大器25的反相輸入端子與放大器25的輸出被固定為相同電位(0V)，非反相輸入端子的電壓被固定於接地端(0V)。

此後，接通開關23，常開接點23a、常開接點23b分別成為閉狀態。藉此，飛馳電容器28、飛馳電容器29為分別連接於放大器25的反相輸入端子及非反相輸入端子的狀態，但因已成為開關24被接通的狀態，因此各個端子的電壓被固定，不會對放大器25的各端子施加飛馳電容器28、飛馳電容器29的電壓。

此後，斷開開關24，解除放大器25的各端子的電壓的固定，藉此對放大器25施加儲存於飛馳電容器28、飛馳電容器29的電壓。由於是以放大器25的各輸入端子的電壓被固定為0V的狀態施加飛馳電容器28、飛馳電容器29的電壓，故不存在各輸 入端子的電壓超過容許範圍之虞、或放大器25的輸出飽和之虞，而可準確地檢測自飛馳電容器28、飛馳電容器29施加的電壓。而且，不存在輸入至放大器25的電壓超過容許範圍之虞，故防止放大器25的劣化及破壞。(例如，參照專利文獻1)。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2001-201548號公報

然而，於習知技術中，存在如下課題：於開關22被接通的瞬間，電荷向產生於開關22與飛馳電容器28、飛馳電容器29之間的寄生電容移動，飛馳電容器28、飛馳電容器29的保持電壓發生變化而使電壓檢測精度惡化。

本發明是鑒於上述課題而完成，且實現於使用有多工器方式的電池電壓檢測電路中，降低因寄生電容產生的偵測電壓偏移的影響而提高偵測電壓精度。

為了解決習知的課題，本發明的電池電壓檢測電路設為如下構成。

一種電池電壓檢測電路，用以監視串聯連接的多個電池的電壓，且包括：飛馳電容器；多工器開關，將飛馳電容器依次連接至多個電池；電壓偵測單元，偵測飛馳電容器的電壓；第一開關，連接於第一定電流電路與飛馳電容器的一端子；第二開關，連接於第二定電流電路與飛馳電容器的另一端子；以及控制電路，控制多工器開關、第一開關、及第二開關，上述多工器開關使上述 多個電池的任一個與上飛馳電容器並聯。

根據本發明的電池電壓檢測電路，可降低寄生電容對電池偵測電壓的影響而提高偵測電壓的精度。

11‧‧‧電池電源裝置

11a、100_1~100_4‧‧‧電池

21、22、23、24、210_1~210_8‧‧‧開關

280‧‧‧第一開關

281‧‧‧第二開關

300‧‧‧第三開關

21a、21b、23a、23b、24a、24b‧‧‧常開接點

25‧‧‧放大器

26‧‧‧A/D轉換器

28、29、240‧‧‧飛馳電容器

30‧‧‧控制裝置

100‧‧‧電池串

200‧‧‧電池電壓檢測電路

210‧‧‧多工器開關

220‧‧‧控制電路

230‧‧‧寄生電容

250‧‧‧放大器

260‧‧‧比較器

270‧‧‧基準電壓電路

271‧‧‧電阻

290‧‧‧第一定電流電路

291‧‧‧第二定電流電路

A、B‧‧‧節點

VDD、VSS‧‧‧電壓

圖1是第一實施方式的電池電壓檢測電路的電路圖。

圖2是第二實施方式的電池電壓檢測電路的電路圖。

圖3是習知的電池電壓檢測電路的電路圖。

以下，參照圖式，對本實施方式進行說明。

[實施例]

<第一實施方式>

圖1是第一實施方式的電池電壓檢測電路的電路圖。本實施方式的電池電壓檢測電路包含電池串100、及電池電壓檢測電路200。電池串100包含電池100_1、電池100_2、電池100_3、電池100_4。電池電壓檢測電路200包含多工器開關210、飛馳電容器240、第一開關280、第二開關281、第一定電流電路290、第二定電流電路291、放大器250、比較器(comparator)260、基準電壓電路270、控制電路220、電阻271、VDD端子、及VSS端子。多工器開關210包含開關210_1、開關210_2、開關210_3、開關210_4、開關210_5、開關210_6、開關210_7、及開關210_8。將 飛馳電容器240的一端設為節點(node)A，將另一端設為節點B。

電池100_1的正極連接於VDD端子及開關210_1的一端子，負極連接於電池100_2的正極及開關210_2與開關210_3的一端子。開關210_1與開關210_2的另一端連接於節點A，開關210_3的另一端連接於節點B。電池100_3的正極連接於電池100_2的負極及開關210_4與開關210_5的一端子，負極連接於電池100_4的正極及開關210_6與開關210_7的一端子。開關210_4與開關210_6的另一端連接於節點A，開關210_5與開關210_7的另一端連接於節點B。

開關210_8的一端子連接於VSS端子及電池100_4的負極，另一端連接於節點B。第一開關280的一端子連接於第一定電流電路290，另一端連接於節點A。第一定電流電路290的另一端連接於VDD端子。第二開關281的一端子連接於第二定電流電路291，另一端連接於節點B。第二定電流電路291的另一端連接於VDD端子。放大器250的反相輸入端子連接於電阻271的一端子，非反相輸入端子連接於節點B，放大器250的輸出連接於電阻271的另一端與比較器260的反相輸入端子。比較器260的非反相輸入端子連接於基準電壓電路270的負極，基準電壓電路270的正極連接於VDD端子。放大器250、比較器260、基準電壓電路270、及電阻271構成電壓偵測單元。第一開關280、第二開關281、及多工器開關210是由控制電路220控制接通斷開。於節點B存在寄生電容230。

對動作進行說明。飛馳電容器240是以與電池串100中的任一電池成為並聯的方式由控制電路220的訊號所控制。藉由 控制電路220的訊號，開關210_1與開關210_3被接通，其他開關被斷開而將電池100_1與飛馳電容器240連接。飛馳電容器240被充電至與電池100_1相同的電壓(V0)，此後藉由控制電路220的訊號，開關210_1與開關210_3變成斷開，電池100_1與飛馳電容器240被切斷。

其次，若藉由控制電路220的訊號而接通第一開關280，則節點A藉由第一定電流電路290被上拉(pull up)，而成為VDD端子的電壓(VDD)。節點B的電壓成為VDD-V0，對放大器250的非反相輸入端子施加VDD-V0的電壓。由於在放大器250的輸出中輸出VDD-V0的電壓，故可利用比較器260比較基準電壓電路270的電壓(比較電壓)與VDD-V0的電壓，由此檢測出飛馳電容器240的電壓高於或是低於比較電壓。即，可比較電池100_1的電壓與比較電壓而檢測出高或低。藉由亦在其他電池中進行上述動作，可監視所有電池的電壓。

考慮在節點B存在寄生電容230的情形。電池串100的電池均為V0，將飛馳電容器240連接至最下端的電池100_4。此時，節點B的電壓為VSS，寄生電容230的電壓成為0V。若於斷開多工器開關210的所有開關而將飛馳電容器240設為打開(open)後，接通第一開關280，則節點A藉由第一定電流電路290被上拉。寄生電容230藉由第一定電流電路290被充電，其充電電流流經飛馳電容器240，故飛馳電容器240的保持電壓變得高於V0。最終節點A的電壓變得與VDD相等時的飛馳電容器240的電壓如下式所示。

V0+Cx/(C+Cx)×3V0

此處，C表示飛馳電容器240的電容值，Cx表示寄生電容230的電容值。飛馳電容器240的電壓的偏移幅度為第二項的Cx/(C+Cx)×3V0。此處，Cx/(C+Cx)為飛馳電容器240與寄生電容230的電容比，3V0表示節點A自連接於最下端的電池100_4的狀態被上拉至VDD的電壓移動幅度。

因此可知：與飛馳電容器240的電容值相比寄生電容230的電容值越大，則偏移量越大，而且，監視電壓的電池離基準電位越遠，則偏移量越大。

假定電池電壓監視電路集成於積體電路(Integrated Circuit，IC)上的情形，且假設飛馳電容器240的電容值為10pF，假設寄生電容230的電容值為100fF。電池電壓均為4.0V，且如圖1般以四個電池為一組串聯連接。於偵測此時的最下端的電池電壓時產生的偏移量成為100fF/(100pF+100fF)×3×4.0=12mV。通常的鋰電池的過充電檢測電壓被要求有±20mV左右的精度，故上述偏移量對電池電壓檢測電路的精度性能造成明顯的不良影響。

為了降低寄生電容230的影響，斷開多工器開關210的所有開關而打開飛馳電容器240後，同時接通第一開關280、第二開關281。以此方式，不僅第一定電流電路290可有助於寄生電容230的充電，而且第二定電流電路291亦有助於寄生電容230的充電。若節點A的電位成為VDD，則藉由控制電路220以第二開關281被斷開的方式進行控制。於是，第二定電流電路291不會對飛馳電容器240進行充電，故不會引起飛馳電容器240的電壓偏移。

在節點A到達至VDD之前，第二定電流電路291而非第一定電流電路290對寄生電容230進行充電的比率越大，則產生於飛馳電容器240的偏移越小。因此，為了提高電壓檢測精度，較理想的是第二定電流電路291的電流量大於定電流電路290的電流量。於第一定電流電路290、第二定電流電路291的電流值相同的情形時，飛馳電容器240的電壓的偏移幅度成為Cx/(2C+Cx)×3V0，可等效地獲得與增大飛馳電容器240的電容值的情形相同的效果。

再者，為了檢測飛馳電容器240的電壓而使用放大器250進行了說明，但並不侷限於放大器，只要為可檢測飛馳電容器240的電壓的構成，則任意構成皆可。

此外，為了上拉飛馳電容器240，對寄生電容230進行充電而使用第一定電流電路290、第二定電流電路291進行了說明，但並不侷限於定電流電路，只要為直接連接於電阻、或VDD等可上拉飛馳電容器240，對寄生電容230進行充電的構成，則任意構成皆可。

根據以上所述，第一實施方式的電池電壓檢測電路可藉由使用第二定電流電路291對寄生電容230進行充電而提高電壓檢測精度。而且，可不增大飛馳電容器240而實現，故亦可縮小佈局(layout)面積。

<第二實施方式>

圖2是第二實施方式的電池電壓檢測電路的電路圖。與圖1的不同點在於追加了第三開關300。關於連接情形，第三開關300的一端子連接於第二開關281與飛馳電容器240的連接點，第三 開關300另一端子連接於放大器250的非反相輸入端子，且藉由控制電路220而控制接通斷開。

對動作進行說明。飛馳電容器240以與電池串100中的任一電池成為並聯的方式，由控制電路220的訊號所控制。藉由控制電路220的訊號，開關210_1與開關210_3被接通，其他開關被斷開而將電池100_1與飛馳電容器240連接。飛馳電容器240被充電至與電池100_1相同的電壓(V0)，此後藉由控制電路220的訊號，開關210_1與開關210_3變成斷開，電池100_1與飛馳電容器240被切斷。

其次，若藉由控制電路220的訊號接通第一開關280，則節點A藉由第二定電流電路290被上拉，而成為VDD端子的電壓(VDD)。若節點B的電壓成為VDD-V0，藉由控制電路220的訊號使第三開關300接通，則對放大器250的非反相輸入端子施加VDD-V0的電壓。於放大器250的輸出中輸出VDD-V0的電壓，故可利用比較器260比較基準電壓電路270的電壓(比較電壓)與VDD-V0的電壓，由此檢測出飛馳電容器240的電壓高於或是低於比較電壓。即，可比較電池100_1的電壓與比較電壓而檢測出高或低。藉由亦在其他電池中進行上述動作，可監視所有電池的電壓。

考慮在節點B存在寄生電容230的情形。電池串100的電池均為V0，將飛馳電容器240連接至最下端的電池100_4。此時，節點B的電壓為VSS，寄生電容230的電壓成為0V。若於斷開多工器開關210的所有開關而打開飛馳電容器240後，接通第一開關280，則節點A藉由第一定電流電路290被上拉。寄生 電容230藉由第一定電流電路290被充電，其充電電流流經飛馳電容器240，故飛馳電容器240的保持電壓變得高於V0。最終節點A的電壓變得與VDD相等時的飛馳電容器240的電壓如下式所示。

V0+Cx/(C+Cx)×3V0

此處，C表示飛馳電容器240的電容值，Cx表示寄生電容230的電容值。飛馳電容器240的電壓的偏移幅度為第二項的Cx/(C+Cx)×3V0。此處，Cx/(C+Cx)為飛馳電容器240與寄生電容230的電容比，3V0表示節點A自連接於最下端的電池100_4的狀態被上拉至VDD的電壓移動幅度。

因此可知：與飛馳電容器240的電容值相比寄生電容230的電容值越大，則偏移量越大，而且，監視電壓的電池離基準電位越遠，則偏移量越大。

假定電池電壓監視電路集成於IC上的情形，且假設飛馳電容器240的電容值為10pF，假設寄生電容230的電容值為100fF。電池電壓均為4.0V，且如圖1般以四個電池為一組串聯連接。於偵測此時的最下端的電池電壓時產生的偏移量為100fF/(100pF+100fF)×3×4.0=12mV。通常的鋰電池的過充電檢測電壓被要求有±20mV左右的精度，故上述偏移量對電池電壓檢測電路的精度性能造成明顯的不良影響。

為了降低寄生電容230的影響，於斷開多工器開關210的所有開關與第三開關300而打開飛馳電容器240後，同時接通第一開關280、第二開關281。以此方式，不僅可使用第一定電流 電路290對寄生電容230進行充電，而且亦可使用第二定電流電路291對寄生電容230進行充電。第二定電流電路291未對飛馳電容器240進行充電，故不會引起飛馳電容器240的電壓偏移。而且，藉由控制電路220，第二開關281於節點A到達VDD時、或於到達前被斷開。

在節點A到達VDD之前，第二定電流電路291而非第一定電流電路290對寄生電容230進行充電的比率越大，則產生於飛馳電容器240的偏移越小。因此，為了提高電壓檢測精度，較理想的是第二定電流電路291的電流量大於第一定電流電路290的電流量。於第一定電流電路290、第二定電流電路291的電流值相同的情形時，飛馳電容器240的電壓的偏移幅度成為Cx/(2C+Cx)×3V0，可等效地獲得與增大飛馳電容器240的電容值的情形相同的效果。

於上拉飛馳電容器240的過程中，可藉由斷開第三開關300而消除存在於第二開關281至放大器250的輸入端子的寄生電容或放大器250的輸入電晶體(transistor)的閘極(gate)電容的影響。因此，可藉由使用第三開關300，降低寄生電容230的影響而提高電壓檢測精度。

再者，為了檢測飛馳電容器240的電壓而使用放大器250進行了說明，但並不侷限於放大器，只要為可檢測飛馳電容器240的電壓的構成，則任意構成皆可。

此外，為了提昇飛馳電容器240，對寄生電容230進行充電而使用第一定電流電路290、第二定電流電路291進行了說明，但並不侷限於定電流電路，只要為直接或者隔著電阻連接於 VDD等可上拉飛馳電容器240，對寄生電容230進行充電的構成，則任意構成皆可。

根據以上所述，本實施方式的電池電壓檢測電路可藉由使用第二定電流電路291對寄生電容230進行充電而提高電壓檢測精度。而且，可不增大飛馳電容器240而實現，故可縮小佈局面積。進而，可消除放大器、其他寄生電容、或閘極電容的影響，從而可進一步提高電壓檢測精度。

100‧‧‧電池串

100_1~100_4‧‧‧電池

200‧‧‧電池電壓檢測電路

210‧‧‧多工器開關

210_1~210_8‧‧‧開關

280、281‧‧‧第一開關、第二開關

220‧‧‧控制電路

230‧‧‧寄生電容

240‧‧‧飛馳電容器

250‧‧‧放大器

260‧‧‧比較器

270‧‧‧基準電壓電路

271‧‧‧電阻

290、291‧‧‧第一定電流電路、第二定電流電路

A、B‧‧‧節點

VDD、VSS‧‧‧電壓

Claims (3)

1. 一種電池電壓檢測電路，用以監視串聯連接的多個電池的電壓，其特徵在於包括：飛馳電容器；多工器開關，將上述飛馳電容器依次連接至上述多個電池；電壓偵測單元，偵測上述飛馳電容器的電壓；第一開關，連接於第一定電流電路與上述飛馳電容器的一端子；第二開關，連接於第二定電流電路與上述飛馳電容器的另一端子；以及控制電路，控制上述多工器開關、上述第一開關及上述第二開關，上述多工器開關使上述多個電池的任一個與上飛馳電容器並聯。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電池電壓檢測電路，其中上述控制電路於斷開上述多工器開關後，將上述第一開關與上述第二開關接通，若連接有上述第一開關的上述飛馳電容器的端子電位與基準電位為相同電位，則以斷開上述第二開關的方式進行控制。
3. 如申請專利範圍第1項所述的電池電壓檢測電路，其中於上述飛馳電容器與上述電壓偵測單元之間，更包括被上述控制電路控制的第三開關。