TWI789320B - 用於監測堆疊電池裝置的電壓監測電路 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種用於監測堆疊電池裝置的電壓監測電路。堆疊電池裝置包括串聯耦接的多個電池單元。電壓監測電路包括電壓監測單元以及輸出電路。電壓監測單元包括第一電流鏡以及第二電流鏡。電壓監測單元透過第一電流鏡與第二電流鏡的疊接來取得對應電池單元的正極電壓值的分壓值，並依據正極電壓值與分壓值以生成監測電流。輸出電路依據監測電流以生成監測電壓值。監測電壓值與對應電池單元的電壓值相對應。
Description
本發明是有關於一種電壓監測電路，且特別是有關於一種用於監測堆疊電池裝置的電壓監測電路。
電池裝置大多包括堆疊配置的多個電池單元。現今常見的電壓監測方式是以堆疊式電阻器來對多個電池單元的電壓值進行分壓來實現電壓監測功能。然而，這樣的方式會造成監測速度緩慢並且監測不精準，進而無法取得與電壓值直接對應的電壓訊息。現今常見的另一電壓監測方式是以運算放大器來實現。然而，這樣的方式需要較高的設計成本。
本發明提供一種用於監測堆疊電池裝置的電壓監測電路，能夠取得與電壓值直接對應的電壓訊息。
本發明的電壓監測電路用於監測堆疊電池裝置中的一個電池單元電壓。電壓監測電路包括電壓監測單元以及輸出電路。
電壓監測單元耦接於監測堆疊電池裝置中的的對應電池單元。電壓監測單元包括第一電流鏡、第二電流鏡以及保護電晶體。第二電流鏡與所述第一電流鏡疊接於第一節點與第二節點取得。保護電晶體耦接於電壓監測單元的輸出端與參考低電壓之間。電壓監測單元透過第一電流鏡與第二電流鏡取得對應電池單元的正極電壓值相關的分壓值，並依據分壓值以生成監測電流。電壓值輸出電路被配置成依據監測電流以生成對應於對應電池單元的電壓值的監測電壓值。
本發明的電壓監測電路用於監測堆疊電池裝置。堆疊電池裝置包括串聯耦接的多個電池單元。電壓監測電路包括第1級電壓監測單元、第N級電壓監測單元以及輸出電路。第1級電壓監測單元耦接於所述多個電池單元當中的第1級電池單元。第1級電壓監測單元取得第1級電池單元的正極電壓值的第1級分壓值，並依據第1級分壓值來生成第1級監測電流，第1級電池單元具有最低的正極電壓值。第N級電壓監測單元耦接於所述多個電池單元當中的第N級電池單元。第N級電壓監測單元透過疊接電流鏡來取得第N級電池單元的正極電壓值的第N級分壓值，並依據第N級電池單元的正極電壓值以及第N級分壓值之間的差值來生成第N級監測電流。N是大於1的整數。輸出電路耦接於第N級電壓監測單元。輸出電路依據第N級監測電流來生成第N級監測電壓值。第N級監測電壓值與第N級電池單元的正極與第N級電池單元的負極之間的電壓值成正比。
基於上述，本發明的電壓監測電路的電壓監測單元透過多個電流鏡的疊接來取得對應電池單元的分壓值，並依據對應分壓值來生成監測電流。電壓監測電路的輸出電路依據監測電流來生成監測電壓值。監測電壓值與對應電池單元的電壓值相對應。如此一來，電壓監測電路能夠取得與電壓值直接對應的電壓訊息。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10、20:堆疊電池裝置
100、200、400、500:電壓監測電路
110_1~110_n、210_1~210_n、310_N、410_1~410_22、510:電壓監測單元
120、220、420、520:輸出電路
330_N:控制電路
430、530:選擇電路
C1~C22、Cn、CN:電池單元
CV1~CV4:曲線
I1、I2:電流
IM1~IM22、IMn:監測電流
MR1、MR2:電流鏡
NA、NB:節點
P1_1~P4_1、P1_2~P5_2、P1_3~P5_3、P1_n~P5_n、P1_N~P4_N、P5:電晶體
R1、R2:電阻器
S0:控制訊號
S1、S1B:開關訊號
SS1~SS22:選擇開關
SW1~SW6:開關
TP、TP_2~TP_n、TP_N:保護電晶體
VB1~VB22、VBn:電壓值
VP1~VPn、VPN、VP(N-1):正極電壓值
VM、VM1~VMn、VMN:監測電壓值
圖1是依據本發明第一實施例所繪示的電壓監測電路的示意圖。
圖2是依據本發明第二實施例所繪示的電壓監測電路的示意圖。
圖3是依據本發明一實施例所繪示的電壓監測常態分佈圖。
圖4是依據本發明一實施例所繪示的電壓監測單元以及控制電路的示意圖。
圖5是依據本發明第三實施例所繪示的電壓監測電路的示意圖。
圖6是依據本發明第四實施例所繪示的電壓監測電路的示意圖。
本發明的部份實施例接下來將會配合附圖來詳細描述，以下的描述所引用的元件符號，當不同附圖出現相同的元件符號將視為相同或相似的元件。這些實施例只是本發明的一部份，並未揭示所有本發明的可實施方式。更確切的說，這些實施例只是本發明的專利申請範圍中的範例。
請參考圖1，圖1是依據本發明第一實施例所繪示的電壓監測電路的示意圖。電壓監測電路100用於監測堆疊電池裝置10。堆疊電池裝置10包括串聯耦接的電池單元C1~Cn。電池單元C1~Cn分別具有電壓值VB1~VBn。電壓值VB1是電池單元C1的正極與負極之間的電壓差值。電壓值VB2是電池單元C2的正極與負極之間的電壓差值，依此類推。電池單元C2~Cn例如分別是鋰電池單元(本發明並不以此為限)。
在本實施例中，電壓監測電路100包括電壓監測單元110_1~110_n以及輸出電路120。電壓監測單元110_1~110_n各耦接於電池單元C1~Cn當中的對應電池單元。舉例來說，電壓監測單元110_1耦接於電池單元C1。電壓監測單元110_2耦接於電池單元C2，依此類推。在本實施例中，電池單元C1~Cn分別可以被視為多級電池單元。電池單元C1是第1級電池單元。電池單元C1具有最低的正極電壓值VP1。電池單元C2是第2級電池單元，依此類推。電壓監測單元110_1可以是第1級電壓監測單元。電壓監測單元110_2可以是第2級電壓監測單元，依此類推。
在本實施例中，電壓監測單元110_1可基於電壓值VB1來生成監測電壓值VM1，而不需要透過輸出電路120來生成監測電壓值VM1。
在本實施例中，電壓監測單元110_2~110_n是透過一或多個電流鏡來取得電池單元C2~Cn的正極電壓值VP2~VPn的分壓值，並依據分壓值來生成監測電流IM2~IMn。輸出電路120耦接於電壓監測單元110_2~110_n。輸出電路120依據監測電流IM2~IMn來生成監測電壓值VM2~VMn。
以電壓監測單元110_2為例，電壓監測單元110_2透過電流鏡MR1、MR2的疊接來取得電池單元C2的正極電壓值VP2的分壓值，並依據分壓值以生成監測電流IM2。輸出電路120依據監測電流IM2以生成對應於電池單元C2的監測電壓值VM2。監測電壓值VM2對應於電池單元C2的電壓值VB2。監測電壓值VM2與電池單元C2的電壓值VB2成正比。進一步來說，監測電壓值VM2會與電池單元C2的電壓值VB2之間具有一固定比例。
在此值得一提的是，電壓監測單元110_2透過電流鏡MR1、MR2的疊接來取得電池單元C2的正極電壓值VP2的分壓值，並依據分壓值來生成監測電流IM2。輸出電路120依據監測電流IM2來生成監測電壓值VM2。監測電壓值VM2與電壓值VB2成正比。如此一來，電壓監測電路100能夠取得與電壓值VB2直接對應起精準的監測電壓值VM2並據以獲知電池單元C2的當前電壓值。
進一步來說明，在本實施例中，電壓監測單元110_2包括電流鏡MR1、MR2以及保護電晶體TP。電流鏡MR1、MR2被疊接於電池單元C2的正極與負極之間。電流鏡MR2透過節點NA、NB耦接至電流鏡MR1。電壓監測單元110_2透過節點NA、NB取得電池單元C2的正極電壓值VP2的分壓值，並依據正極電壓值VP2與分壓值之間的電壓差值來生成監測電流IM2。在本實施例中，電流鏡MR1、MR2的疊接會使得位於節點NA的電壓值等於分壓值。位於節點NA、NB的節點電壓值被作為正極電壓值VP2的分壓值。也就是，分壓值是電池單元C2的正極電壓值VP2與電池單元C1的正極電壓值VP1的一半(即，(VP2+VP1)/2)。基於電流鏡MR1、MR2的疊接，流經節點NA的電流I1會由正極電壓值VP2與分壓值之間的電壓差值(即，(VP2-VNA)/2，VNA是位於節點NA的節點電壓值)來決定。電流鏡MR1、MR2會對流經節點NA的電流I1映射到節點NB。因此，流經節點NB的電流I2等於電流I1。應注意的是，流經節點NB的電流I2就是監測電流IM2。因此，監測電流IM2直接關連於正極電壓值VP2、VP1之間的電壓差值。
在本實施例中，保護電晶體TP耦接於電流鏡MR2與電壓監測單元110_2的輸出端之間。保護電晶體TP建立電流鏡MR2與電壓監測單元110_2的輸出端之間的電壓差值。在正極電壓值VP2處於高電壓值的情況下，節點NB會具有較大的電壓值。這樣的電壓值可能對輸出電路120或電流鏡MR2造成崩潰。保護電晶
體TP被操作以吸收電流鏡MR2與電壓監測單元110_2的輸出端之間的高電壓差值，從而降低橫跨電流鏡MR2的電壓差值以及降低位於電壓監測單元110_2的輸出端的電壓值。保護電晶體TP具有較高的電壓耐受力。在一個實施例中，若是電壓值VB1~VBn皆為5伏特時，則保護電晶體TP的電壓耐受值可以設計成5.5伏特。在此值得一提的是，電壓監測單元110_2是由電流鏡MR1、MR2以及保護電晶體TP來實現，而不需要運算放大器來實現。因此，電壓監測單元110_2不需要複雜的設計。電壓監測單元110_2能夠以較低的成本來實現。輸出電路120耦接於電壓監測單元110_2的輸出端與參考低電壓(例如是接地)之間。輸出電路120依據監測電流IM2來生成監測電壓值VM2。監測電壓值VM2與電池單元C2的電壓值VB2成正比。
在本實施例中，電壓監測單元110_3~110_n分別可採用與電壓監測單元110_2的相同或相似的設計，故不在此重述。
在本實施例中，電池單元C1具有最低的正極電壓值VP1。因此，相較於電壓監測單元110_2~110_n，電壓監測單元110_1的設計可以被簡化為單一電流鏡及/或移除上述的保護電晶體。
在本實施例中，監測電壓值VM1~VMn會被生成至一處理器(未示出)。監測電壓值VM1~VMn會與對應電壓值之間具有固定比例。因此，基於固定比例，處理器會將監測電壓值VM1~VMn還原為電壓值VB1~VBn。
請參考圖2，圖2是依據本發明第二實施例所繪示的電壓監測電路的示意圖。在本實施例中，電壓監測電路200用於監測堆疊電池裝置。堆疊電池裝置的配置方式已在第一實施例中清楚說明。在本實施例中，電壓監測電路200包括電壓監測單元210_1~210_n以及輸出電路220。
電壓監測單元210_1包括電晶體P1_1~P4_1。電晶體P1_1的第一端耦接於電池單元C1的正極。電晶體P1_1的第二端以及電晶體P1_1的控制端耦接於電池單元C1的輸出節點(即，第1級輸出節點)。輸出節點用以生成監測電壓值VM1。電晶體P2_1的第一端耦接於電池單元C1的正極。電晶體P2_1的控制端耦接於電晶體P1_1的控制端。電晶體P3_1的第一端耦接於電池單元C1的輸出節點。電晶體P3_1的第二端以及電晶體P3_1的控制端耦接於電池單元C1的負極以及參考低電壓。電晶體P4_1的第一端耦接於電晶體P2_1的第二端。電晶體P4_1的第二端以及。電晶體P4_1的控制端耦接於參考低電壓。在本實施例中，電晶體P1_1~P4_1被設計以具有相同的寬長比。電晶體P1_1~P4_1例如是PMOS電晶體(本發明並不以此為限)。
在本實施例中，電晶體P1_1、P3_1彼此疊接於電池單元C1的正極與參考低電壓之間。電晶體P2_1、P4_1彼此疊接於電池單元C1的正極與參考低電壓之間。因此，位於電池單元C1的輸出節點的電壓值大致上等於正極電壓值VP1的一半(或稱，正極電壓值VP1的中間值)。也就是說，監測電壓值VM1大致上等
於電壓值VB1的一半。
在本實施例中，電壓監測單元210_2包括電流鏡MR1、MR2以及保護電晶體TP_2。電流鏡MR1與電流鏡MR2疊接於電池單元C2的正極與負極之間。此外，電流鏡MR2透過節點NA、NB耦接至電流鏡MR1。電流鏡MR1包括電晶體P1_2、P2_2。電晶體P1_2的第一端耦接於電池單元C2的正極。電晶體P1_2的第二端以及電晶體P1_2的控制端耦接於節點NA。電晶體P2_2的第一端耦接於電池單元C2的正極。電晶體P2_2的第二端耦接於節點NB。電晶體P2_2的控制端耦接於電晶體P1_2的控制端。電流鏡MR2包括電晶體P3_2、P4_2。電晶體P3_2的第一端耦接於節點NA。電晶體P3_2的第二端以及電晶體P3_2的控制端耦接於電池單元C2的負極。電晶體P4_2的第一端耦接於節點NB。電晶體P4_2的第二端耦接於保護電晶體TP_2的第一端。電晶體P4_2的控制端耦接於電晶體P3_2的控制端。
保護電晶體TP_2的第二端耦接至輸出電路220。保護電晶體TP_2的控制端耦接於電池單元C2的負極。
輸出電路220包括對應於電壓監測單元210_2的電晶體P5_2。電晶體P5_2的第一端耦接於保護電晶體TP_2的第二端以及電壓監測單元210_2的輸出端。電晶體P5_2的第二端以及電晶體P5_2的控制端耦接於參考低電壓。
在本實施例中，電晶體P1_2~P5_2被設計以具有相同的寬長比。電晶體P1_2~P5_2例如是PMOS電晶體(本發明並不以
此為限)。保護電晶體TP_2例如是PMOS電晶體(本發明並不以此為限)。保護電晶體TP_2具有較高的電壓耐受力。因此，電晶體P1_2~P5_2的電壓耐受力的要求可以被降低。電晶體P1_2~P5_2被設計以具有較低的電壓耐受力能夠提升電晶體P1_2~P5_2之間的電性匹配。
在本實施例中，流經電晶體P1_2、節點NA以及電晶體P3_2的電流I1的電流值如公式(1)所示：
i_I1是電流I1的電流值。β是電晶體P1_2~P5_2的製程參數。電晶體P1_2~P5_2的製程參數是相同的。Vth1是電晶體P1_2的臨界電壓值。VDS1是電晶體P1_2的第一端與第二端之間的電壓差值。電晶體P1_2、P3_2彼此疊接於電池單元C1的正極與參考低電壓之間。因此，電壓值VB2等於電晶體P1_2的的第一端與第二端之間的電壓差值VDS1的兩倍。
流經電晶體P2_2、節點NB、電晶體P4_2、P5_2以及保護電晶體TP_2的電流I2(即，監測電流IM2)的電流值如公式(2)所示：
i_I2是電流I2的電流值。電晶體P1_2~P5_2的製程參數是相同的。Vth5是電晶體P5_2的臨界電壓值。VDS5是電晶體P5_2的第一端與第二端之間的電壓差值。也就是，監測電壓值VM2等於電晶體P5_2的第一端與第二端之間的電壓差值。
電流I2的電流值等於電流I1的電流值。電晶體P1_2的第一端與第二端之間的電壓差值、電晶體P2_2的第一端與第二端之間的電壓差值以及電晶體P5_2的第一端與第二端之間的電壓差值彼此相同(即VDS1=VDS2=VDS5)。因此，根據公式(1)以及公式(2)，當電晶體P1_2、P5_2的臨界電壓值彼此相同時，監測電壓值VM2會等於電壓值VB2的一半(或稱，電壓值VB2的中間值)，也就是VM2=(VB2)/2。因此，電流鏡MR1與電流鏡MR2疊接能有效降低通道長度調變效應所產生的影響。
應注意的是，本實施例僅利用電晶體P1_2~P5_2以及保護電晶體TP_2來生成與電壓值VB2具有高度相關性的監測電壓值VM2。電晶體P1_2~P5_2被設計以具有相同的寬長比。因此，電壓監測單元210_2與電晶體P5_2的設計複雜度可以大幅被降低。
電壓監測單元210_3~210_n分別採用與電壓監測單元210_2的相同或相似的設計，故不在此重述。此外，輸出電路220包括與電壓監測單元210_3~210_n相對應的電晶體P5_3~P5_n。
在一些實施例中，輸出電路220可包括多個電晶體P5_2。所述多個電晶體P5_2彼此疊接於電壓監測單元210_2的輸出端與參考低電壓之間。這使得監測電壓值VM2會與所述多個電晶體P5_2的堆疊數量成正比。舉例來說，輸出電路220可包括兩個彼此疊接的電晶體P5_2。因此，監測電壓值VM2會等於電壓值VB2。另舉例來說，輸出電路220可包括三個彼此疊接的電晶體
P5_2。因此，監測電壓值VM2會等於電壓值VB2的1.5倍。
在一些實施例中，電壓監測單元210_2還可以增加電流鏡的堆疊數量以調節節點NA的電壓值，從而調節監測電流IM2的電流值。舉例來說，電壓監測單元210_2還包括第三電流鏡(未示出)。電流鏡MR1、電流鏡MR2以及第三電流鏡疊接於電池單元C2的正極與負極之間。因此，監測電流IM2的電流值會被增加或降低。
請同時參考圖2、圖3以及表1，圖3是依據本發明一實施例所繪示的電壓監測常態分佈圖。圖3示出了基於第二實施例的曲線CV1~CV4。圖3的橫軸為電壓值。圖3的縱軸為採樣數量。
在電壓值被設定為2.25伏特(即，電壓值的中數值)的情況下，相較於曲線CV1、CV2，曲線CV3、CV4具有較小的標準差以及較小的偏差範圍。這意味著，當電晶體P1_2~P5_2的通道長度L被設計為50微米時，電壓監測電路200能夠具有較佳的精準度以及可靠度。進一步地，當幾何因子F越小，標準差以及
偏差範圍也越小。換言之，如表1，當電晶體P1_2~P5_2的通道寬度W以及通道長度L分別被設計為50微米時，電壓監測電路200能夠具有最佳的精準度以及可靠度。而因製成誤差，在本實施例中的實際通道長度是落在49.75微米至50.25微米範圍中的一個值。也就是說，實際上，當電晶體P1_2~P5_2的通道長度L為50±0.25微米時，電壓監測電路200能夠具有較佳的精準度以及可靠度。
在至少一實施例中，電壓監測電路200還可以控制電壓監測單元210_2~210_n是否生成監測電流IM2~IMn。舉例來說，在一些實施例中，電壓監測電路200還包括至少一控制電路。所述至少一控制電路與電壓監測單元210_2~210_n對應耦接。所述至少一控制電路反應於具有第一邏輯值的控制訊號來控制對應的電壓監測單元生成監測電流，並且反應於具有第二邏輯值的控制訊號來控制對應的電壓監測單元停止生成監測電流。
具體來說明，請參考圖4，圖4是依據本發明一實施例所繪示的電壓監測單元以及控制電路的示意圖。圖4示出了電壓監測單元310_N以及與電壓監測單元310_N相對應的控制電路330_N。控制電路330_N用以對電壓監測單元310_N進行控制。在本實施例中，控制電路330_N接收控制訊號S0，並反應於控制訊號S0來提供開關訊號S1、S1B。在本實施例中，N是大於1的整數。在本實施例中，控制電路330_N可例如接收來自於一處理器的控制訊號S0。
電壓監測單元310_N包括電晶體P1_N~P4_N、開關SW1~SW6以及保護電晶體TP_N。電晶體P1_N的第一端耦接於電池單元CN的正極。電晶體P1_N的第二端耦接於節點NA。開關SW1的第一端耦接於電池單元CN的正極。開關SW1的第二端耦接於電晶體P1_N的控制端。開關SW1的控制端耦接於控制電路330_N以接收開關訊號S1B。電晶體P2_N的第一端耦接於電池單元CN的正極。電晶體P2_N的第二端耦接於節點NB。電晶體P2_N的控制端耦接於電晶體P1_N的控制端。開關SW2的第一端耦接於電晶體P1_N的控制端。開關SW2的第二端耦接於電晶體P1_N的第二端。開關SW2的控制端耦接於控制電路330_N以接收開關訊號S1。電晶體P3_N的第一端耦接於節點NA。電晶體P3_N的第二端耦接於電池單元CN的負極。開關SW3的第一端耦接於電池單元CN的正極以接收電池單元CN的正極電壓值VPN。開關SW3的第二端耦接於電晶體P3_N的控制端。開關SW3的控制端耦接於控制電路330_N以接收開關訊號S1B。電晶體P4_N的第一端耦接於節點NB。電晶體P4_N的第二端耦接於保護電晶體TP_N的第一端。電晶體P4_N的控制端耦接於電晶體P3_N的控制端。開關SW4的第一端耦接於電晶體P3_N的第一端。開關SW4的第二端耦接於電晶體P4_N的控制端。開關SW4的控制端耦接於控制電路330_N以接收開關訊號S1B。保護電晶體TP_N的第二端耦接於電壓監測單元310_N的輸出端。保護電晶體TP_N的控制端耦接於電池單元CN的負極。開關SW5的第一端耦接於
保護電晶體TP_N的第一端。開關SW5的第二端耦接於保護電晶體TP_N的控制端。開關SW5的控制端耦接於控制電路330_N以接收開關訊號S1B。開關SW6的第一端耦接於電晶體P3_N的控制端。開關SW6的第二端耦接於保護電晶體TP_N的第一端。開關SW6的控制端耦接於控制電路330_N以接收開關訊號S1。
請同時參考圖4以及表2，表2為壓監測單元310_N以及控制電路330_N的真值表。
在本實施例中，控制電路330_N接收正極電壓值VPN、VP(N-1)。控制電路330_N將正極電壓值VPN、VP(N-1)作為電源並基於正極電壓值VPN、VP(N-1)提供開關訊號S1、S1B。
控制電路330_N反應於具有第一邏輯值(例如邏輯「1」)的控制訊號S0來提供開關訊號S1、S1B。使得開關訊號S1具有正極電壓值VPN，並且開關訊號S1B具有正極電壓值VP(N-1)。因此，開關SW2、SW6反應於具有正極電壓值VPN的開關訊號S1而被導通。開關SW1、SW3、SW4、SW5反應於具有正極電壓值VP(N-1)的開關訊號S1B而被斷開。電晶體P1_N、P2_N形成第一電流鏡電路。電晶體P3_N、P4_N形成第二電流鏡電路。第一電流鏡電路與第二電流鏡電路彼此疊接形成一個疊接電流鏡。
此外，保護電晶體TP_N被導通。流經節點NA的電流I1以及流經節點NB的電流I2(即，監測電流)被產生。因此，監測電壓值VMN等於[VPN-VP(N-1)]/2。
在另一方面，控制電路330_N反應於具有第二邏輯值(例如邏輯「0」)的控制訊號S0來提供開關訊號S1、S1B。使得開關訊號S1具有正極電壓值VP(N-1)，並且開關訊號S1B具有正極電壓值VPN。因此，開關SW2、SW6反應於具有正極電壓值VP(N-1)的開關訊號S1而被斷開。開關SW1、SW3、SW4、SW5反應於具有正極電壓值VPN的開關訊號S1B而被導通。電晶體P1_N、P2_N不形成電流鏡電路。電晶體P3_N、P4_N不形成電流鏡電路。這使得流經節點NA的電流值以及流經節點NB的電流值都等於0。監測電流不會被產生。因此，監測電壓值VMN等於0。在本實施例中，控制電路330_N可以是由電壓準位移位器(level shifter)來實現。
在此值得一提的是，控制電路330_N反應於具有第二邏輯值的控制訊號S0來控制電壓監測單元310_N停止產生監測電流。因此，在非監測時段，控制電路330_N的功率消耗能夠被降低。
在本實施例中，開關SW1~SW6分別例如是包括至少一電晶體開關或傳輸閘(transmission gate)的開關電路。
在一些實施例中，控制電路330_N反應於控制訊號S0來提供彼此互補的開關訊號S1、S1B。開關SW1~SW6分別例如
是由至少一電晶體開關或傳輸閘來實現。
請同時參考圖5，圖5是依據本發明第三實施例所繪示的電壓監測電路的示意圖。在本實施例中，電壓監測電路400用於監測堆疊電池裝置20。堆疊電池裝置20包括串聯耦接的電池單元C1~C22。本發明並不以本實施例的電池單元的數量為限。電池單元C1~C22分別具有電壓值VB1~VB22。
在本實施例中，電壓監測電路400包括電壓監測單元410_1~410_22、輸出電路420以及選擇電路430。電壓監測單元410_1~410_22各耦接於電池單元C1~C22當中的對應電池單元。舉例來說，電壓監測單元410_1耦接於電池單元C1。電壓監測單元410_2耦接於電池單元C2，依此類推。在本實施例中，電壓監測單元410_1~410_22分別可以由圖1所示的電壓監測單元110_2、圖2所示的電壓監測單元210_2以及圖4所示的電壓監測單元310_N的其中一者來實現，故不在此重述電壓監測單元410_1~410_22的實施方式。在本實施例中，電壓監測單元410_1~410_22分別生成對應的監測電流IM1~IM22。選擇電路430耦接於電壓監測單元410_1~410_22以接收監測電流IM1~IM22。選擇電路430將監測電流IM1~IM22的其中之一提供至輸出電路420。在本實施例中，選擇電路430能夠採分時方式依序將監測電流IM1~IM22提供至輸出電路420。選擇電路430包括22對1的多工器(22-to-1 MUX)。
以本實施例為例，若以圖4所示的電壓監測單元310_N
的其中一者來實現本實施例(圖5)中的410_N，輸出電路420可僅包括單一個電晶體P5。電晶體P5的第一端耦接於選擇電路430的輸出端。電晶體P5的第二端以及電晶體P5的控制端耦接於參考低電壓。基於選擇電路430對監測電流IM1~IM22的依序供應，電晶體P5所產生的監測電壓值VM能夠在不同時間點對應於電壓值VB1~VB22的其中之一。舉例來說，在第一時間點，選擇電路430將監測電流IM2提供至電晶體P5。監測電壓值VM會在第一時間點等於電壓值VB2的一半。在第二時間點，選擇電路430將監測電流IM4提供至電晶體P5。監測電壓值VM會在第二時間點等於電壓值VB4的一半。
應注意的是，輸出電路420僅包括單一個電晶體P5。因此，輸出電路420的電路面積能夠被縮小。
請參考圖6，圖6是依據本發明第四實施例所繪示的電壓監測電路的示意圖。在本實施例中，電壓監測電路500用於監測堆疊電池裝置20。堆疊電池裝置20包括串聯耦接的電池單元C1~C22。在本實施例中，電壓監測電路500包括電壓監測單元510、輸出電路520以及選擇電路530。選擇電路530耦接於電池單元C1~C22與電壓監測單元510之間。選擇電路530將電池單元C1~C22當中的選中電池單元與電壓監測單元510進行耦接。因此，電壓監測單元510能夠取得選中電池單元的正極電壓值的分壓值，並依據所述對應電池單元的正極電壓值以及所述分壓值之間的差值來生成監測電流。電壓監測單元510的實施方式已在第
二實施例中詳細說明，故不在此重述。
在本實施例中，選擇電路530包括選擇開關SS1~SS22。選擇開關SS1~SS22分別與電池單元C1~C22對應耦接。選擇開關SS1的第一輸入端耦接於電池單元C1的正極。選擇開關SS1的第二輸入端耦接於電池單元C1的負極。選擇開關SS1的第一輸出端耦接至電晶體P1的第一端。選擇開關SS1的第二輸出端透過電阻R1耦接至電晶體P3的第二端。選擇開關SS2的第一輸入端耦接於電池單元C2的正極。選擇開關SS2的第二輸入端耦接於電池單元C2的負極。選擇開關SS2的第一輸出端耦接至電晶體P1的第一端。選擇開關SS2的第二輸出端耦接至電晶體P3的第二端。同理可推，選擇開關SS3~SS22耦接方式與選擇開關SS1、SS2相似，故不再一一詳述。
選擇開關SS1~SS22反應於開關訊號來將對應電池單元與電壓監測單元510進行耦接/解耦。在同一時間區間，選擇開關SS1~SS22的其中一者會將對應電池單元與電壓監測單元510進行耦接。與電壓監測單元510完成耦接的電池單元則是選中電池單元。其餘選擇開關會將對應電池單元與電壓監測單元510進行解耦。
舉例來說，選擇開關SS2受控於開關訊號S2。當選擇開關SS2接收到具有第一邏輯值(例如邏輯「1」)的開關訊號S2時，選擇開關SS1的第一輸入端與第一輸出端相連接。選擇開關SS1的第二輸入端與第二輸出端相連接。因此，選擇開關SS2會將電
池單元C2耦接至電壓監測單元510。電壓監測單元510所接收到的電壓值VB是電池單元C2的電壓值。此時，選擇開關SS1、SS3~SS22會分別接收到具有第二邏輯值(例如邏輯「0」)的開關訊號S1、S3~S22。選擇開關SS1、SS3~SS22會將電池單元C1、C3~C22與電壓監測單元510進行解耦。
在另一方面，當選擇開關SS2接收到具有第二邏輯值的開關訊號S2時，選擇開關SS2會將電池單元C2與電壓監測單元510進行解耦。
在此值得一提的是，本實施例僅需要單一個電壓監測單元510。此外，輸出電路520僅包括單一個電晶體P5。因此，電壓監測電路500的電路面積能夠被縮小。
在本實施例中，開關訊號S1~S22可以是由電壓監測電路500外部的處理器或控制器來生成。
在本實施例中，電壓監測電路500還包括電阻器R1、R2。電阻器R1耦接於電晶體P3的第二端與選擇開關SS1~SS22的第二輸出端之間。電阻器R2耦接於電晶體P5的第二端與參考低電壓之間。在本實施例中，電壓監測電路500提供了公式(3)以及公式(4)。
VB=VDS1+VDS2+i_I1×r_R1...公式(3)
VM=VDS5+i_I2×r_R2...公式(4)
r_R1是電阻器R1的電阻值。r_R2是電阻器R2的電阻值。電阻器R1的電阻值被設計為電阻器R2的電阻值兩倍。VDS2
是電晶體P2的第一端與第二端之間的電壓差值。電流I2的電流值等於電流I1的電流值。電晶體P1的第一端與第二端之間的電壓差值、電晶體P2的第一端與第二端之間的電壓差值以及電晶體P5的第一端與第二端之間的電壓差值彼此相同(即VDS1=VDS2=VDS5=VDS)。因此，基於公式(3)以及公式(4)，監測電壓值VM如公式(5)所示：
也就是說，監測電壓值VM等於電壓監測單元510所接收到的電壓值VB的一半。
綜上所述，電壓監測電路的電壓監測單元透過多個電流鏡的疊接來取得對應電池單元的正極電壓值的對應分壓值，並依據對應分壓值來生成監測電流。電壓監測電路的輸出電路依據正極電壓值與分壓值之間的電壓差值來生成監測電壓值。監測電壓值與對應電池單元的正極與負極之間的電壓值成正比。電流鏡的疊接能夠排除通道長度調變效應所造成的影響。如此一來，電壓監測電路能夠精準取得與電壓值直接對應的電壓訊息。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10:堆疊電池裝置
100:電壓監測電路
110_1~110_n:電壓監測單元
120:輸出電路
C1~Cn:電池單元
I1、I2:電流
IM2~IMn:監測電流
MR1、MR2:電流鏡
NA、NB:節點
TP:保護電晶體
VB1~VBn:電壓值
VM1~VMn:監測電壓值
VP1~VPn:正極電壓值
Claims (10)
- 一種用於監測堆疊電池裝置中的一個電池單元電壓的電壓監測電路，包括：電壓監測單元，耦接於所述監測堆疊電池裝置中的的對應電池單元，並包括：第一電流鏡；第二電流鏡，與所述第一電流鏡疊接；保護電晶體，耦接於所述第二電流鏡與所述電壓監測單元的輸出端之間；以及輸出電路，耦接於所述電壓監測單元的所述輸出端與參考低電壓之間；其中所述電壓監測單元被配置成透過所述第一電流鏡與所述第二電流鏡取得所述對應電池單元的正極電壓值相關的分壓值，並依據所述分壓值以生成監測電流，其中所述輸出電路被配置成依據所述監測電流以生成對應於所述對應電池單元的電壓值的監測電壓值。
- 如請求項1所述的電壓監測電路，其中：所述輸出電路包括多個電晶體，所述多個電晶體彼此疊接於所述電壓監測單元的所述輸出端與所述參考低電壓之間，並且所述監測電壓值與所述多個電晶體的數量成正比。
- 如請求項1所述的電壓監測電路，其中所述電壓監測單元的至少其中之一還包括：第三電流鏡，與所述第一電流鏡以及所述第二電流鏡疊接於所述對應電池單元的正極與所述對應電池單元的負極之間。
- 如請求項1所述的電壓監測電路，其中：所述第一電流鏡包括：第一電晶體，所述第一電晶體的第一端耦接於所述對應電池單元的正極，所述第一電晶體的第二端以及所述第一電晶體的控制端耦接於所述第一節點；以及第二電晶體，所述第二電晶體的第一端耦接於所述對應電池單元的正極，所述第二電晶體的第二端耦接於所述第二節點，所述第二電晶體的控制端耦接於第一電晶體的控制端，所述第二電流鏡包括：第三電晶體，所述第三電晶體的第一端耦接於所述第一節點，所述第三電晶體的第二端以及所述第三電晶體的控制端耦接於所述對應電池單元的負極；以及第四電晶體，所述第四電晶體的第一端耦接於所述第二節點，所述第四電晶體的第二端耦接於所述保護電晶體的第一端，所述第四電晶體的控制端耦接於第三電晶體的控制端，所述輸出電路包括：第五電晶體，所述第五電晶體的第一端耦接於所述保護電晶體的第二端以及所述電壓監測單元的所述輸出端，所述第五 電晶體的第二端以及第五電晶體的控制端耦接於所述參考低電壓，其中所述分壓值等於位於所述第一節點的節點電壓值以及位於所述第二節點的節點電壓值。
- 如請求項4所述的電壓監測電路，其中：所述第一電晶體、所述第二電晶體、所述第三電晶體、所述第四電晶體以及所述第五電晶體被設計以具有相同的寬長比，及/或所述第一電晶體、所述第二電晶體、所述第三電晶體、所述第四電晶體以及所述第五電晶體的通道長度是49.75微米至50.25微米範圍中的一個值。
- 如請求項1所述的電壓監測電路，還包括：至少一控制電路，與所述電壓監測單元對應耦接，各被配置成反應於具有第一邏輯值的控制訊號來控制對應的電壓監測單元提供所述監測電流，並且反應於具有第二邏輯值的控制訊號來控制對應的電壓監測單元停止提供所述監測電流。
- 如請求項1所述的電壓監測電路，其中所述至少一電壓監測單元包括單一個電壓監測單元，其中所述電壓監測電路還包括：選擇電路，耦接於所述對應電池單元與所述電壓監測單元之間，被配置成將所述對應電池單元與所述電壓監測單元進行耦接，從而使所述電壓監測單元取得所述對應電池單元的正極電壓 值的分壓值，並依據所述對應電池單元的正極電壓值與所述分壓值之間的差值來提供監測電流。
- 一種用於監測堆疊電池裝置的電壓監測電路，其中所述堆疊電池裝置包括串聯耦接的多個電池單元，其中所述電壓監測電路包括：第1級電壓監測單元，耦接於所述多個電池單元當中的第1級電池單元，被配置成取得所述第1級電池單元的正極電壓值的第1級分壓值，並依據所述第1級分壓值來提供第1級監測電流，其中所述第1級電池單元具有最低的正極電壓值；第N級電壓監測單元，耦接於所述多個電池單元當中的第N級電池單元，被配置成透過疊接電流鏡來取得所述第N級電池單元的正極電壓值的第N級分壓值，並依據所述第N級電池單元的正極電壓值以及所述第N級分壓值之間的差值來提供第N級監測電流，其中N是大於1的整數；以及輸出電路，耦接於所述第N級電壓監測單元，被配置成依據所述第N級監測電流來提供第N級監測電壓值，其中所述第N級監測電壓值與所述第N級電池單元的正極與所述第N級電池單元的負極之間的電壓值成正比。
- 如請求項8所述的電壓監測電路，其中所述第1級電壓監測單元包括：第一電晶體，所述第一電晶體的第一端耦接於所述第1級電池單元的正極，所述第一電晶體的第二端以及所述第一電晶體的 控制端耦接於第1級輸出節點；以及第二電晶體，所述第二電晶體的第一端耦接於所述第1級電池單元的正極，所述第二電晶體的控制端耦接於第一電晶體的控制端；第三電晶體，所述第三電晶體的第一端耦接於所述第1級輸出節點，所述第三電晶體的第二端以及所述第三電晶體的控制端耦接於所述第1級電池單元的負極以及參考低電壓；以及第四電晶體，所述第四電晶體的第一端耦接於所述第二電晶體的第二端，所述第四電晶體的第二端以及所述第四電晶體的控制端耦接於所述參考低電壓。
- 如請求項8所述的電壓監測電路，其中所述疊接電流鏡包括：第一電流鏡；第二電流鏡，與所述第一電流鏡疊接於所述第N級電池單元的正極與所述第N級電池單元的負極之間，其中所述第二電流鏡透過第一節點以及第二節點耦接至所述第一電流鏡；以及保護電晶體，耦接於所述第二電流鏡與所述電壓監測單元的輸出端之間，被配置成建立所述第二電流鏡與所述電壓監測單元的所述輸出端之間的電壓差值，其中所述第N級分壓值等於位於所述第一節點的節點電壓值以及位於所述第二節點的節點電壓值。
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