專利名稱：一種高端電池電壓的采樣電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路中的電池電壓檢測技術(shù)，尤其涉及一種高端電池電壓的采樣電路及方法。
背景技術(shù)：
隨著充電電池在電動工具，電動自行車，電動汽車中大規(guī)模應(yīng)用；為了最大限度的保護(hù)電池和最大限度的延長電池的使用壽命以及準(zhǔn)確的告知電池的剩余使用時間，使得對電池電量的實(shí)時精確監(jiān)測成為必不可少的部分；然而在一般的電動工具，電動自行車和電動汽車中，電池的使用數(shù)量為少則幾節(jié)串聯(lián)，多則上百節(jié)串聯(lián)在一起使用，需要幾個或幾十個芯片級聯(lián)來實(shí)現(xiàn)；然而即使這樣，每個芯片上電池的絕對電壓也是很高的，為了得到每節(jié)電池電壓，以便讓給芯片本身的低壓ADC或單片機(jī)上的ADC進(jìn)行進(jìn)一步處理，高壓采樣電路是必不可少的。目前市場上常規(guī)的采樣方法主要包括以下兩種，一是直接用耐高壓的MOS管構(gòu)成的比例電路來采絕對電池電壓并把它轉(zhuǎn)換成相對芯片地的相對電壓；這樣用高壓MOS管構(gòu)成的比例電路的面積相當(dāng)大，并且有N節(jié)電池就需要N-I個這樣的比例電路，其對芯片成本來說是相當(dāng)高的，還有就是這樣的高壓管的匹配性很差，從而造成采樣精度不高；另一種方法就是用電容采樣的方法，即先用高壓MOS開關(guān)把電容兩端分別連接待測電池的兩端，完成對電池采樣后，再把電池的下極板接到芯片的地，把電容的上極板接到一個單位增益運(yùn)放的正輸入端，從而完成對高端電池的采樣；這種方法理論上可以很精確把高端電池電壓轉(zhuǎn)換成相對芯片地電池電壓，但是由于每節(jié)電池都需要兩個面積大的高壓開關(guān)，當(dāng)它完成電池采樣后開關(guān)關(guān)斷時的溝道電荷的轉(zhuǎn)移效應(yīng)會對采樣精度有很大的影響，要保持一定的采樣精度，就需要很大的采樣電容，加上高壓解碼開關(guān)控制電路，其對芯片地面積成本要求是很大的。針對集成電路封裝需求，需要在較小的面積實(shí)現(xiàn)電壓采樣，現(xiàn)有技術(shù)無法滿足這樣的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是采用一種新的高端電池電壓的采樣方法，即電流采樣方法。針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種高端電池電壓的采樣電路，其中，包括電壓轉(zhuǎn)電流電路，電流轉(zhuǎn)電壓電路，所述電壓轉(zhuǎn)電流電路用于把電池電壓轉(zhuǎn)換成電流，所述電流通過所述電流轉(zhuǎn)電壓電路傳輸?shù)叫酒?，所述電流轉(zhuǎn)電壓電路兩端形成的電壓差為采樣電壓，所述電流轉(zhuǎn)電壓電路是所述電壓轉(zhuǎn)電流電路的鏡像復(fù)制電路，所述采樣電壓值等于所述高端電池電壓值。上述的高端電池電壓的采樣電路，其中，所述電流轉(zhuǎn)電壓電路是所述電壓轉(zhuǎn)電流電路的鏡像復(fù)制電路。上述的高端電池電壓的采樣電路，其中，所述電壓轉(zhuǎn)電流電路包括第一電阻和第
一MOS管，所述第一電阻一端連接所述第一 MOS管的源極，另一端連接所述高端電池的正極，所述第一 MOS管的柵極連接所述高端電池的負(fù)極，所述第一 MOS管的漏極作為所述電壓轉(zhuǎn)電流電路的輸出端，用于輸出電流。上述的高端電池電壓的采樣電路，其中，所述電流轉(zhuǎn)電壓電路包括第二電阻和第
二MOS管，所述第二電阻一端作為所述電流轉(zhuǎn)電壓電路的輸入端，另一端連接所述第二 MOS管的源極，所述第二 MOS管的漏極和柵極均接芯片地。上述的高端電池電壓的采樣電路，其中，所述第二電阻和所述第一電阻相同，所述第二 MOS管和所述第一 MOS管相同。上述的高端電池電壓的采樣電路，其中，所述第一MOS管和所述第二MOS管均為低壓MOS管。上述的高端電池電壓的采樣電路，其中，還包括一偏置電路，所述偏置電路連接在所述電壓轉(zhuǎn)電流電路和電流轉(zhuǎn)電壓電路之間，其用于防止所述第一 MOS管和所述第二 MOS
管被聞壓擊穿。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供一種高端電池電壓的采樣方法，用于多級電池級聯(lián)的電池電壓采樣的電路之中，其中，包括用電壓轉(zhuǎn)電流電路的低壓器件將待采樣高壓轉(zhuǎn)換成電流的步驟；所述電流通過電流轉(zhuǎn)電壓電路的低壓器件后傳輸?shù)叫酒兀娏鬓D(zhuǎn)電壓電路形成相對芯片地的采樣電壓的步驟。本發(fā)明通過先用低壓器件把相對電池電壓轉(zhuǎn)換成電流，再把此電流流經(jīng)一個連接到芯片地的采樣電流電路的復(fù)制電路，從而轉(zhuǎn)換成對芯片地的電池采樣電壓，由于采樣和還原都用完全一樣的低壓器件，從而利用很小的面積和很高的精度完成對高端電池電壓的采樣。避免了使用過多的高壓器件，實(shí)現(xiàn)控制芯片面積的效果。采用了上述技術(shù)解決方案，本發(fā)明無需過多的電器元件，以很小的芯片面積便可完成高端電池電壓的采樣電路布圖設(shè)計(jì)，不僅在結(jié)構(gòu)上得到有效簡化，更降低了制造成本，實(shí)現(xiàn)了精確的高端電池電壓的采樣工作。


通過閱讀參照如下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯圖I示出根據(jù)本發(fā)明的，一種高端電池電壓的采樣電路的原理框圖；以及圖2示出根據(jù)本發(fā)明的，一種高端電池電壓的采樣電路的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。此處所描述的具體實(shí)施方式
僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明的中心思想是采用低壓器件，對待采樣電池的電壓進(jìn)行壓-電，電-壓轉(zhuǎn)化，具體的就是通過電壓轉(zhuǎn)電流電路把電池電壓轉(zhuǎn)換成電流，通過電流轉(zhuǎn)電壓電路把所述電流轉(zhuǎn)換成相對芯片地的采樣電壓。在一個優(yōu)選例中，還可以包括一個偏置電路，參考圖1，圖I不出根據(jù)本發(fā)明的，一種高端電池電壓的采樣電路的原理框圖。其中，所述電壓采樣電路由電壓轉(zhuǎn)電流電路101，電流轉(zhuǎn)電壓電路201，以及偏置電路301組成，所述偏置電路301接在所述電壓轉(zhuǎn)電流電路101和電流轉(zhuǎn)電壓電路201之間。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，圖I提供了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一個原理圖，以下參考圖2所示出的一個優(yōu)選例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)圖I的原理，結(jié)合圖2，采用不同的低壓器件來實(shí)現(xiàn)這種高端電池的電壓采樣電路。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的，一種高端電池電壓的采樣電路的具體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，電壓轉(zhuǎn)電流電路101和電流轉(zhuǎn)電壓電路201中的電器元件均相同，所述電流轉(zhuǎn)電壓電路是所述電壓轉(zhuǎn)電流電路的復(fù)制電路。如圖所示的高端電池電壓的采樣電路的電路結(jié)構(gòu)包括一高端電池bat，電壓轉(zhuǎn)電流電路101，電流轉(zhuǎn)電壓電路201以及偏置電路301，其中，在一個優(yōu)選例中，高端電池bat有多節(jié)，為方便描述，在圖2中示出一節(jié)高端電池bat，電池負(fù)端與芯片地之間的虛線表示N節(jié)高端電池串聯(lián)，本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，本發(fā)明適用于多節(jié)高端電池串聯(lián)的電池電壓采樣。進(jìn)一步地，電壓轉(zhuǎn)電流電路101包括第一電阻Rsample，第一 MOS管Ml，其中，第一電阻Rsample —端連接所述高端電池bat的正極,另一端連接第一 MOS管Ml的源極,第一MOS管Ml的柵極連接所述高端電池的負(fù)極，第一 MOS管Ml的漏極作為所述電壓轉(zhuǎn)電流電路的輸出端，用于輸出電流，而第一電阻Rsample的作用的將其兩端的電壓轉(zhuǎn)化為電流，這樣，就能將難以直接檢測的高端電池電壓轉(zhuǎn)化為電流了。當(dāng)然，具體的電壓檢測還需要重新將所述電流轉(zhuǎn)化為一個參考電壓以方便檢測，在所述電壓轉(zhuǎn)電流電路101輸出端需要連接一個電流轉(zhuǎn)電壓電路。參考圖2，電流轉(zhuǎn)電壓電路201包括第二電阻Rrecovery，第二 MOS管M2，其中，第二電阻Rrecovery —端作為電流轉(zhuǎn)電壓電路201的輸入端,另一端連接所述第二 MOS管M2的源極，所述第二 MOS管M2的漏極和柵極均接芯片地。進(jìn)一步地，參考圖2所示的采樣電路，由于本發(fā)明優(yōu)選采用低壓器件，所以第一MOS管Ml和第二 MOS管M2需要高壓保護(hù)，在電壓轉(zhuǎn)電流電路101和電流轉(zhuǎn)電壓電路201之間，偏置電路301用于避免第一 MOS管Ml和第二 MOS管M2被高壓擊穿。當(dāng)電壓轉(zhuǎn)電流電路101輸出的電流經(jīng)過所述偏置電路301進(jìn)入電流轉(zhuǎn)電壓電路201的輸入端，所述電流將通過第二電阻Rrecovery和第二MOS管M2，而電流轉(zhuǎn)電壓電路201的輸出端接地，這就使得電流轉(zhuǎn)電壓電路201的輸入端的電壓值相對地而言等于第二電阻Rrecovery和第二 MOS管M2上的電壓值的和，而所述電流是電流轉(zhuǎn)電壓電路201中施加在第一電阻Rsample的電壓所產(chǎn)生的，因此，只要所述電流通過第二電阻Rrecovery后所產(chǎn)生的第二電阻Rrecovery兩端電壓值與所述第一電阻Rsample兩端電壓值相同，所述第一 MOS管Ml的柵源電壓和第二MOS管M2的柵源電壓相同，那么電流轉(zhuǎn)電壓電路兩端的電壓值就等于所述需要采用的高端電壓值。具體地，以下結(jié)合圖2所示的電路結(jié)構(gòu)圖說明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理對于電壓轉(zhuǎn)電流電路101,由于第一電阻Rsample和所述第一 MOS管Ml串聯(lián)在高端電池bat兩端,定義高端電池bat的電壓正端為Vbat+,高端電池bat的電壓負(fù)端為Vbat_,第一 MOS管Ml兩端電壓為Vgsm，通過第一電阻Rsample的電流為I，則根據(jù)公式計(jì)算可得
所述電流I流向電流轉(zhuǎn)電壓電路201后，在電流轉(zhuǎn)電壓電路201輸入端輸入，電流經(jīng)過第二電阻Rrecovery，而第二 MOS管M2的漏極和柵極均接芯片地，類似地，定義第二MOS管M2兩端電壓為VgsM2，電流轉(zhuǎn)電壓電路201輸入端電壓為Vsamp,則根據(jù)公式計(jì)算可得Vsamp= I *R

根據(jù)上述公式顯示，當(dāng)?shù)谝浑娮鑂sample和第二電阻Rrecovery完全相等并匹配，且第一 MOS管Ml和第二 MOS管M2完全相等并匹配時，電壓Vsamp就等于被采電池兩端的電壓=Vsamp = Vbat+-Vbat_。因此，測量電壓Vsamp的值就能對高端電池電壓值完成采樣工作。其中，圖2所示的采樣電路中的第一電阻Rsample和第二電阻Rrecovery也可以根據(jù)需要采用不同的阻值大小，只需保證第一電阻Rsample和第二電阻Rrecovery兩者阻值相同即可，使得電流轉(zhuǎn)電壓電路201是電壓轉(zhuǎn)電流電路101的復(fù)制電路。進(jìn)一步地，如圖2所示的實(shí)施例中，所述采樣電路中的2個MOS管Ml和M2為低壓P型MOS管，本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，所述MOS管的類型也可以根據(jù)需要采用其他諸如低壓N型MOS管或高壓MOS管來代替。所不同的是，當(dāng)采用N型MOS管時，MOS管的連接方式與圖2所示電路圖鏡像相反，具體地，第一 MOS管Ml的柵極連接在高端電池bat的正極，其源極連接第一電阻Rsample —端,第一電阻Rsample另一端連接高端電壓bat另一端。進(jìn)一步地，在一個變化例中，當(dāng)?shù)谝?MOS管Ml和第二 MOS管M2為高壓MOS管時，則在偏置電路中無需設(shè)置高壓MOS管進(jìn)行高壓保護(hù)。本領(lǐng)域技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)可實(shí)現(xiàn)所述變化例，所述變化并不影響本發(fā)明的實(shí)施，在此不予贅述。另一方面，結(jié)合圖I和圖2，對本發(fā)明的高端電池電壓的采樣方法作進(jìn)一步詳細(xì)敘述，本發(fā)明的采樣方法用于多級電池級聯(lián)的電池電壓采樣的電路之中，目的是將高端電池的絕對電壓轉(zhuǎn)化為對芯片地的電壓進(jìn)行采樣，具體地，電壓轉(zhuǎn)化過程包括下列2個小步驟首先，利用電壓轉(zhuǎn)電流電路的低壓器件將待采樣高端電池電壓轉(zhuǎn)換成電流。參考圖2的電壓轉(zhuǎn)電流電路101，當(dāng)電路開始工作是先是由第一電阻Rsample和第一 MOS管Ml組成的電壓轉(zhuǎn)電流電路101把電池的絕對高壓轉(zhuǎn)換成電流。再利用電流轉(zhuǎn)電壓電路的低壓器件把所述電流轉(zhuǎn)換成對芯片地的采樣電壓。參考圖2所示的電流轉(zhuǎn)電壓電路201，得到所需的相對芯片地的電池電壓Vsamp。在一個具體實(shí)施例中，本發(fā)明方法的特征在于測量所述電流轉(zhuǎn)電壓電路輸入端對芯片地的電壓，所述電壓值等于電池電壓。在本發(fā)明中，圖2中未示出偏置電路301內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，偏置電路301的具體結(jié)構(gòu)可根據(jù)電壓轉(zhuǎn)電流電路101和電流轉(zhuǎn)電壓電路201變化而不同，本領(lǐng)域技術(shù)人員可結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)偏置電路301，以滿足采樣電路中的晶體管工作點(diǎn)要求，在此不予贅述。 本發(fā)明通過低壓器件組成兩個復(fù)制電路，將高端電池電壓經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)電流、再電流轉(zhuǎn)電壓后進(jìn)行采樣，達(dá)到電壓采樣電路面積較小，采樣精度較高的目的。以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述
6特定實(shí)施方式，其中未盡詳細(xì)描述的方法和處理過程應(yīng)該理解為用本領(lǐng)域中的普通方式予以實(shí)施；本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種高端電池電壓的采樣電路及方法，其特征在于，包括電壓轉(zhuǎn)電流電路，電流轉(zhuǎn)電壓電路，所述電壓轉(zhuǎn)電流電路用于把電池電壓轉(zhuǎn)換成電流，所述電流通過所述電流轉(zhuǎn)電壓電路傳輸?shù)叫酒?，所述電流轉(zhuǎn)電壓電路兩端形成的電壓差為采樣電壓，所述電流轉(zhuǎn)電壓電路是所述電壓轉(zhuǎn)電流電路的鏡像復(fù)制電路，所述采樣電壓值等于所述高壓電池電壓值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高端電池電壓的采樣電路，其特征在于，所述電壓轉(zhuǎn)電流電路包括第一電阻和第一MOS管，所述第一電阻一端連接所述第一MOS管的源極，另一端連接所述高壓電池的正極，所述第一 MOS管的柵極連接所述高壓電池的負(fù)極，所述第一 MOS管的漏極作為所述電壓轉(zhuǎn)電流電路的輸出端，用于輸出電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高端電池電壓的采樣電路，其特征在于，所述電流轉(zhuǎn)電壓電路包括第二電阻和第二 MOS管，所述第二電阻一端作為所述電流轉(zhuǎn)電壓電路的輸入端，另一端連接所述第二 MOS管的源極，所述第二 MOS管的漏極和柵極均接芯片地。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高端電池電壓的采樣電路，其特征在于，所述第二電阻和所述第一電阻相同，所述第二 MOS管和所述第一 MOS管相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的高壓電池電壓的采樣電路，其特征在于，所述第一MOS管和所述第二 MOS管均為低壓MOS管。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高端電池電壓的采樣電路，其特征在于，還包括一偏置電路，所述偏置電路中包括第三MOS管以及第四MOS管，所述第三MOS管的源極連接所述第一 MOS管的漏極，所述第三MOS管的漏極連接所述第四MOS管的源極，所述第四MOS管的漏極連接所述電流轉(zhuǎn)電壓電路的輸入端，所述第三MOS管和所述第四MOS管的柵極分別連接所述偏置電路，所述第三MOS管和所述第四MOS管為高壓MOS管，其用于防止第一 MOS管Ml和第二MOS管M2被高壓電擊穿。
7.一種高端電池電壓的采樣方法，用于多節(jié)電池串聯(lián)的電池電壓采樣的電路之中，其特征在于，包括用電壓轉(zhuǎn)電流電路的低壓器件將待采樣高壓轉(zhuǎn)換成電流；所述電流通過電流轉(zhuǎn)電壓電路的低壓器件后傳輸?shù)叫酒?，形成相對芯片地的采樣電壓?br> 全文摘要
本發(fā)明提供一種高端電池電壓的采樣電路，包括電壓轉(zhuǎn)電流電路，電流轉(zhuǎn)電壓電路，所述電流轉(zhuǎn)電壓電路是所述電壓轉(zhuǎn)電流電路的復(fù)制電路，所述兩電路中包含相同數(shù)量的的低壓器件，所述電壓轉(zhuǎn)電流電路的輸入端連接高壓電池，輸出端連接所述電流轉(zhuǎn)電壓電路的輸入端，所述電流轉(zhuǎn)電壓電路的輸出端接芯片地，還包括一偏置電路連接在所述電壓轉(zhuǎn)電流電路和所述電流轉(zhuǎn)電壓電路之間，其用于提供偏置電壓。還提供一種高端電池電壓的采樣方法，用于多節(jié)電池串聯(lián)的電池電壓采樣的電路之中，包括將待采樣電壓轉(zhuǎn)化為電流的步驟；使所述電流通過電流轉(zhuǎn)電壓電路的步驟。
文檔編號G01R31/36GK102955056SQ20111024925
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月26日
發(fā)明者付則松, 馬先林, 王磊, 蕭碩 申請人:華潤矽威科技(上海)有限公司