一種應(yīng)用于電池監(jiān)控芯片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種應(yīng)用于電池監(jiān)控芯片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，包括：高壓采樣模塊、低壓處理模塊、比較器、數(shù)字處理與控制模塊和數(shù)/模轉(zhuǎn)換；電池接高壓采樣模塊，電池的高壓信號(hào)經(jīng)高壓采樣模塊采樣后輸出給低壓處理模塊；低壓處理模塊的輸出給比較器；比較器將比較的結(jié)果送給數(shù)字處理與控制模塊；數(shù)字處理與控制模塊控制數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊；數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊分別與高壓采樣模塊和低壓處理模塊相連。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明使用高壓和低壓開關(guān)同時(shí)結(jié)合高壓電容直接采集級(jí)聯(lián)電池組的電壓，而不需要電壓轉(zhuǎn)換單元將電池組電壓轉(zhuǎn)換為低壓再進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，從而提高采樣速率和采樣精度。
【專利說明】
-種應(yīng)用于電池監(jiān)控巧片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電子電路中的電源管理領(lǐng)域，具體設(shè)及一種應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全 差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 裡電池監(jiān)控忍片用于檢測(cè)可充電裡電池的電壓，電流和溫度等信息，并將運(yùn)些信 息反饋給中央控制單元，從而保證裡電池的安全和壽命。400V電動(dòng)汽車需要96節(jié)串聯(lián)的動(dòng) 力電池(單節(jié)電池電壓3.8V)組同時(shí)并聯(lián)起來組成動(dòng)力電池包來產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作 電壓和足夠的驅(qū)動(dòng)電流。前期的單通道電池監(jiān)控方案，需要大量的分立器件，從而使得整體 系統(tǒng)的面積和可靠性講大打折扣。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)存在W下缺陷：
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)都集中在提高高壓采樣開關(guān)的速度，忽略整體架構(gòu)速度的限制，并且現(xiàn) 有技術(shù)高壓采樣開關(guān)的個(gè)數(shù)是很多，因?yàn)楦邏翰蓸娱_關(guān)需要的面積很大，導(dǎo)致整個(gè)忍片面 積很大，成本高。現(xiàn)有技術(shù)的低壓采樣檢測(cè)對(duì)稱性差，測(cè)量結(jié)果可靠性低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn) 換電路。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] -種應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路，包括:高壓采樣模塊、低 壓處理模塊、比較器、數(shù)字處理與控制模塊和數(shù)/模轉(zhuǎn)換；電池接高壓采樣模塊，電池的高壓 信號(hào)經(jīng)高壓采樣模塊采樣后輸出給低壓處理模塊;低壓處理模塊的輸出給比較器；比較器 將比較的結(jié)果送給數(shù)字處理與控制模塊;數(shù)字處理與控制模塊控制數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊;數(shù)/模 轉(zhuǎn)換模塊分別與高壓采樣模塊和低壓處理模塊相連。
[000引優(yōu)選的，高壓采樣模塊包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)一樣的子模塊:高壓采樣模塊P和高壓采樣模 塊N;低壓處理模塊包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)一樣的子模塊:低壓處理模塊P和低壓處理模塊N;數(shù)/模轉(zhuǎn) 換模塊包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)一樣的子模塊:數(shù)/模轉(zhuǎn)換P和數(shù)/模轉(zhuǎn)換N;電池的正、負(fù)極分別接高壓 采樣模塊P的IN端和高壓采樣模塊N的IN端;高壓采樣模塊P的SW端和高壓采樣模塊N的SW端 之間通過開關(guān)S2連接;高壓采樣模塊P的OUT端、低壓處理模塊P的LSB端W及數(shù)/模轉(zhuǎn)換P的 LSB端連接在一起;高壓采樣模塊N的OUT端、低壓處理模塊N的LSB端W及數(shù)/模轉(zhuǎn)換N的LSB 端連接在一起;低壓處理模塊P的MSB端和數(shù)/模轉(zhuǎn)換P的MSB端連接;低壓處理模塊N的MSB端 和數(shù)/模轉(zhuǎn)換N的MSB端連接;低壓處理模塊P的COMP端和比較器的正相端相連;低壓處理模 塊N的COMP端和比較器的反相端相連。
[0009] 為了能夠使電路整體工作更穩(wěn)定，濾除電池組上的噪聲等干擾，使本發(fā)明的電路 工作更穩(wěn)定可靠：
[0010] 進(jìn)一步優(yōu)選的，還包括濾波器模塊，濾波器設(shè)置在電池與高壓采樣模塊之間。
[0011] 更進(jìn)一步優(yōu)選的，電池的正、負(fù)極分別連接濾波器的輸入INP和INN;濾波器的輸出 INP和INN分別接高壓采樣模塊P的IN端和高壓采樣模塊N的IN端。
[0012] 另外，為了測(cè)量電池的電流、溫度等低壓信號(hào)：
[0013] 進(jìn)一步優(yōu)選的，還包括低壓采樣模塊;低壓采樣模塊與數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊相連。
[0014] 更進(jìn)一步優(yōu)選的，低壓采樣模塊分別為第一低壓采樣模塊和第二低壓采樣模塊。 [001引為了測(cè)量電池的溫度：
[0016]更進(jìn)一步優(yōu)選的，第一低壓采樣模塊和第二低壓采樣模塊中設(shè)置有熱敏電阻。 [0017] 為了測(cè)量電池的電流；
[0018] 更進(jìn)一步優(yōu)選的，第一低壓采樣模塊和第二低壓采樣模塊中設(shè)置有霍爾器件。
[0019] 進(jìn)一步優(yōu)選的，濾波器可W為電容C、電感L、電阻R組成的。
[0020] 更進(jìn)一步優(yōu)選的，濾波器為RC濾波器;端口 INP接電阻Rfil的一端，電阻Rfil的另 一端接電容Cf i 1的一端W及端口OUTP;端口 INN接電阻Rf i2的一端，電阻Rf i2的另一端接電 容Cfil的另一端W及端口 OUTN。
[0021] 進(jìn)一步優(yōu)選的，高壓采樣子模塊的結(jié)構(gòu)為:端口 I腳妾開關(guān)SW的一端;開關(guān)SW的另一 端、開關(guān)Sgnd的一端W及電容Cs的一端連接在一起作為高壓采樣子模塊的端口 S;電容Cs的 另一端接端口 OUT。
[0022] 進(jìn)一步優(yōu)選的，低壓處理子模塊的結(jié)構(gòu)為:MSB端通過開關(guān)S3接電源Vm)L、通過開 關(guān)S6接端口 COMP和開關(guān)S5的一端;開關(guān)S5的另一端接電壓VCMM低壓處理子模塊的LSB端通 過開關(guān)S4接地VS化、通過開關(guān)S7接端口 COMP和開關(guān)S5的一端。
[0023] 進(jìn)一步優(yōu)選的，數(shù)/模轉(zhuǎn)換子模塊包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的電容陣列模塊，兩個(gè)電容陣 列模塊分別作為高位電容陣列模塊和低位電容陣列模塊使用。高位電容陣列模塊的端口 SB 接MSB，低位電容陣列模塊端口 SB接LSB。
[0024] 更進(jìn)一步優(yōu)選的，電容陣列模塊由m個(gè)按照二進(jìn)制加權(quán)排列的電容組成，所有電容 的一個(gè)極板連接在一起接端口 SB,電容的另一端通過開關(guān)切換分別可W選擇連接到REF、 TEMP或者REFGND端，m為大于等于1的正整數(shù)。
[0025] 本發(fā)明具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0026] 本發(fā)明使用高壓和低壓開關(guān)同時(shí)結(jié)合高壓電容直接采集級(jí)聯(lián)電池組的電壓，而不 需要電壓轉(zhuǎn)換單元將電池組電壓轉(zhuǎn)換為低壓再進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，從而提高采樣速率和采樣精 度。
[0027] 高壓壓測(cè)量采用全差分的結(jié)構(gòu)，可W有效地消除共模干擾，具有很好的共模抑制 t：k(CMRR，Common Mode Rejection Ratio)。
[0028] 對(duì)于低壓的測(cè)量(溫度或者電流），本結(jié)構(gòu)同樣可W實(shí)現(xiàn)完美的對(duì)稱性，在共模抑 制比（CMRR)上同樣具有優(yōu)勢(shì)。
【附圖說明】
[0029] 圖1本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的總體框圖。
[0030] 圖2本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的具體結(jié)構(gòu)框圖。
[0031] 圖3本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的濾波器原理圖。
[0032] 圖4本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的高壓采樣子模塊 原理圖。
[0033] 圖5本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的低壓處理子模塊 原理圖。
[0034] 圖6本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路 模塊示意圖。
[0035] 圖7本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路 模塊中電容陣列模塊示意圖。
[0036] 圖8本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的整體原理圖一。
[0037] 圖9本發(fā)明具體實(shí)施例一的電池電壓采樣過程。
[0038] 圖10本發(fā)明具體實(shí)施例一的電池電壓轉(zhuǎn)換過程。
[0039] 圖11本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的整理原理圖二。
[0040] 圖12本發(fā)明具體實(shí)施例二的電池電壓采樣過程。
[0041] 圖13本發(fā)明具體實(shí)施例二的電池電壓轉(zhuǎn)換過程。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)、完整地說明。
[0043] 本發(fā)明的主要思想是對(duì)電池(運(yùn)里的電池指：電池組或者單個(gè)電池）的電壓、溫度 W及電流等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。其中根據(jù)檢測(cè)的具體對(duì)象可W分為檢測(cè)高壓部分和檢測(cè)低壓部 分。檢測(cè)高壓部分主要指檢測(cè)電池電壓;檢測(cè)低壓部分主要是指對(duì)電池的溫度、電流等進(jìn)行 檢測(cè)。
[0044] 具體檢測(cè)中，對(duì)于設(shè)及到高壓的部分通過高壓模塊進(jìn)行處理;對(duì)于低壓的部分通 過低壓模塊進(jìn)行處理。如圖1本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的 總體框圖所示，主要包括:高壓采樣模塊、低壓處理模塊、比較器、數(shù)字處理與控制模塊和 數(shù)/模轉(zhuǎn)換。
[0045] 同時(shí)為了檢測(cè)溫度、電流等低壓信號(hào)（即檢測(cè)低壓部分）還可W包括低壓采樣模 塊;另外為了能夠使電路整體工作更穩(wěn)定，還可W包括濾波器。運(yùn)里的濾波器主要是為了濾 除電池組上的噪聲等干擾，使本發(fā)明的電路工作更穩(wěn)定可靠。
[0046] 圖1中最左邊的VCE化為所要檢測(cè)的電池(運(yùn)里的電池指：電池組或者單個(gè)電池，下 同）。電池接高壓采樣模塊，電池的高壓信號(hào)經(jīng)高壓采樣模塊采樣后輸出給低壓處理模塊。 低壓處理模塊的輸出給比較器。比較器將比較的結(jié)果送給數(shù)字處理與控制模塊。數(shù)字處理 與控制模塊控制數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊。數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊分別與高壓采樣模塊和低壓處理模塊相 連。
[0047] 比較器將比較的結(jié)果送給數(shù)字處理與控制模塊后，數(shù)字處理與控制模塊通過數(shù)/ 模轉(zhuǎn)換模塊控制調(diào)節(jié)電荷在數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊、高壓采樣模塊和低壓處理模塊中的分配，電荷 重新分配后比較器再進(jìn)行比較，通過反復(fù)的電荷分配、比較，最終得到電池組的電壓值。得 到的電壓值通過數(shù)字處理與控制模塊輸出。本發(fā)明的上述檢測(cè)過程可W理解為逐次逼近寄 存器型(SAR)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作過程。
[0048] 為了能夠使電路整體工作更穩(wěn)定，濾波器設(shè)置在電池組與高壓采樣模塊之間，即 電池組的高壓信號(hào)經(jīng)濾波器濾波后送給高壓采樣模塊。另外，為了測(cè)量電池的電流、溫度等 低壓信號(hào)，設(shè)置有低壓采樣模塊，低壓采樣模塊與數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊相連。
[0049] 為了更進(jìn)一步說明本發(fā)明，如圖2本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣 和轉(zhuǎn)換電路的具體結(jié)構(gòu)框圖所示：高壓采樣模塊包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)一樣的子模塊:高壓采樣模 塊P和高壓采樣模塊N;低壓處理模塊包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)一樣的子模塊:低壓處理模塊P和低壓處 理模塊N;數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)一樣的子模塊:數(shù)/模轉(zhuǎn)換P和數(shù)/模轉(zhuǎn)換N;電池的 正、負(fù)極分別連接濾波器的輸入INP和I順;濾波器的輸出INP和I順分別接高壓采樣模塊P的 IN端和高壓采樣模塊N的IN端。運(yùn)里需要強(qiáng)調(diào)的是:如前述，濾波器不是必須的。如果沒有濾 波器電池的正、負(fù)極分別接高壓采樣模塊P的IN端和高壓采樣模塊N的IN端。
[0050] 高壓采樣模塊P的SW端和高壓采樣模塊N的SW端之間通過開關(guān)S2連接;高壓采樣模 塊P的OUT端、低壓處理模塊P的LSB端W及數(shù)/模轉(zhuǎn)換P的LSB端連接在一起;高壓采樣模塊N 的OUT端、低壓處理模塊N的LSB端W及數(shù)/模轉(zhuǎn)換N的LSB端連接在一起;低壓處理模塊P的 MSB端和數(shù)/模轉(zhuǎn)換P的MSB端連接;低壓處理模塊N的MSB端和數(shù)/模轉(zhuǎn)換N的MSB端連接;低壓 處理模塊P的COMP端和比較器的正相端相連;低壓處理模塊N的COMP端和比較器的反相端相 連。數(shù)字處理與控制模塊還對(duì)各個(gè)模塊中的開關(guān)進(jìn)行控制，圖2中并未示意出。
[0051] 另外，如前述，為了測(cè)量電池的電流、溫度等，設(shè)置的低壓采樣模塊分別為第一低 壓采樣模塊和第二低壓采樣模塊。如果是為了測(cè)量電池的溫度，第一低壓采樣模塊和第二 低壓采樣模塊中設(shè)置有熱敏電阻；如果是為了測(cè)量電池的電流，第一低壓采樣模塊和第二 低壓采樣模塊中設(shè)置有霍爾器件。
[0052] 下面對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。
[00對(duì)濾波器：
[0054] 濾波器可W為電容C、電感L、電阻R組成的。但是根據(jù)實(shí)際需要，運(yùn)里的濾波器優(yōu)選 為RC濾波器。如圖3本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的濾波器原 理圖所示：端口 INP接電阻Rfil的一端，電阻Rfil的另一端接電容Cfil的一端W及端口 OUTP;端口 INN接電阻Rf i2的一端，電阻Rf i2的另一端接電容Cf i 1的另一端W及端口 OUTN。
[0055] 高壓采樣子模塊：
[0056] 運(yùn)里的高壓采樣子模塊即高壓采樣模塊P或高壓采樣模塊N，它們是一樣的結(jié)構(gòu)。 如圖4本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的高壓采樣子模塊原理圖 所示:高壓采樣子模塊的端口 I腳妾開關(guān)SW的一端;開關(guān)SW的另一端、開關(guān)Sgnd的一端W及電 容Cs的一端連接在一起作為高壓采樣子模塊的端口 S;電容Cs的另一端接端口OUT。
[0化7] 低壓處理子模塊：
[005引同樣的，運(yùn)里的低壓處理子模塊即低壓處理模塊P和低壓處理模塊N，它們是一樣 的結(jié)構(gòu)。如圖5本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的低壓處理子模 塊原理圖所示:低壓處理子模塊的MSB端通過開關(guān)S3接電源VDDL、通過開關(guān)S6接端口 COMP和 開關(guān)S5的一端；開關(guān)S5的另一端接電壓VCML低壓處理子模塊的LSB端通過開關(guān)S4接地 VSSL、通過開關(guān)S7接端口 COMP和開關(guān)S5的一端。
[0059] 數(shù)/模轉(zhuǎn)換子模塊：
[0060] 數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)一樣的子模塊:數(shù)/模轉(zhuǎn)換P和數(shù)/模轉(zhuǎn)換N;如圖6本 發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路模塊示意圖所 示:數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路模塊包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的電容陣列模塊，兩個(gè)電容陣列模塊分別作為高 位電容陣列模塊和低位電容陣列模塊使用。高位電容陣列模塊的端口 SB接MSB,低位電容陣 列模塊端口 SB接LSB。高位電容陣列模塊和低位電容陣列模塊的S個(gè)輸入分別連接VREF、 VTEMP、VREFGND。端口 VREF、VTEMP、VREFGND將與數(shù)字處理與控制模塊相連。
[0061] 如圖7本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的數(shù)/模轉(zhuǎn)換電 路模塊中電容陣列模塊示意圖所示，電容陣列模塊主要由m個(gè)按照二進(jìn)制加權(quán)排列的電容 組成，所有電容的一個(gè)極板連接在一起接端口SB,電容的另一端通過開關(guān)切換分別可W選 擇連接到REF、TEMP或者REFGND端。運(yùn)里，m為大于等于1的正整數(shù)。
[0062] 前述比較器、數(shù)字處理與控制模塊為通用模塊，在運(yùn)里就不詳細(xì)介紹了。對(duì)于第一 低壓采樣模塊和第二低壓采樣模塊將在下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)行介紹說明。
[0063] 具體實(shí)施例一(高壓采樣檢測(cè)）：
[0064] 如圖8本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的整體原理圖 一。需要說明是的是圖8中并未具體示意出前述各個(gè)子模塊的具體端口名稱，但是根據(jù)電路 連接的與前述圖2對(duì)應(yīng)關(guān)系可W確定各個(gè)子模塊及其端口。同時(shí)圖8中并未包含第一低壓采 樣模塊和第二低壓采樣模塊的具體結(jié)構(gòu)。圖中VSSH是高壓的地;V孤L、VS化分別是低壓電源 和低壓的地。另外，數(shù)/模轉(zhuǎn)換P或數(shù)/模轉(zhuǎn)換N的端口 VREF、VTEMP、VREFGND與數(shù)字處理與控 制模塊的連接關(guān)系并未具體示意出。
[0065] 下面將在圖8所示的基礎(chǔ)上介紹高壓采樣檢測(cè)的過程。包括電池電壓采樣和電池 電壓轉(zhuǎn)換過程兩部分。
[0066] 電池電壓采樣過程：
[0067] 如圖9本發(fā)明具體實(shí)施例一的電池電壓采樣過程:在電池電壓采樣過程中，SW，S3 和S4閉合，其他開關(guān)打開。運(yùn)時(shí)電池電壓存儲(chǔ)在采樣電容CS上，比較器的共模電壓設(shè)置為 VCML(S5閉合），DAC的高位和低位電容分別存儲(chǔ)不同的初始電荷。需要說明的是圖9中W連 線的灰度明暗來區(qū)別和示意電路中的連接狀態(tài)（W下相同）。
[006引在運(yùn)個(gè)階段，WVINP和VI順為參考點(diǎn)的電荷為：
[0069] Qpi = Vddl ( Cmsbp ) +Vssl ( Clsbp ) -Ainp (2Cs) -Vref ( Cmsbpf+Clsbpf )-
[0070] Vrefgnd ( Cmsbp+Clsbp-Cmsbp 廣 Clsbpf )
[0071 ] Qni = Vddl ( Cmsbn ) +Vssl ( Clsbn ) -Ainn (2Cs) -Vref ( Cmsbnf+Clsbnf )-
[0072] Vrefgnd ( Cmsbn+Clsbn-Cmsbn 廣 Clsbnf )
[0073] 其中對(duì)于參考端口 VINP，CMSBP和化SBP是數(shù)/模轉(zhuǎn)換P中高位總電容和低位總電 容，CMSBPF和化SBPF分別是高位和低位連接到VREF的電容。對(duì)于參考端口 VI順，CMSBN和 化SBN是數(shù)/模轉(zhuǎn)換N中高位總電容和低位總電容，CMSBNF和化SBNF分別是高位和低位連接 到VREF的電容。CS是采樣電容。
[0074] 電池電壓轉(zhuǎn)換過程：
[0075] 如圖10本發(fā)明具體實(shí)施例一的電池電壓轉(zhuǎn)換過程所示:在電池電壓轉(zhuǎn)換過程中， S2，S6和S7閉合，其他開關(guān)打開。數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊(DAC)的電容開關(guān)陣列將采樣電容上的電荷 進(jìn)行電荷分配。在運(yùn)個(gè)階段，WVINP和VWN為參考點(diǎn)的電荷為：
[0076]
[0077]
[0078] 其中對(duì)于參考端口 VINP，CMSBPF '和化SBPF '分別是數(shù)/模轉(zhuǎn)換P中連接到VR邸的開 關(guān)陣列電容;對(duì)于參考端口 VI順，CMSBNF '和化SBNF '分別是數(shù)/模轉(zhuǎn)換N中連接至IjVREF的開 關(guān)陣列電容。
[0079] 依據(jù)電荷守恒原理，QP2 = QP1，QN2 = QN1，VINP和VI順的電壓可推導(dǎo)為：
[0080]
[
[0082] 由于；
[0083] CMSBP = CMSBN=CMSB;
[0084] 化 SBP =化 SBN=化 SB;
[0085] CMSBPF = CMSB-CMSBNF;
[00 化]化 SBPF =化 SB-化 SBNF;
[0087] CMSBPF '= CMSB-CMSBNF ' ；
[0088] 化SBPF'=化SB-化SBNF ' ；
[0089] 從而推導(dǎo)出比較器兩端電壓與輸入電池電壓的關(guān)系式如下：
[0090]
[0091] 從上式可W看到，運(yùn)種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了很好的對(duì)稱性，因而具有很高的共模抑制比 (CMRR'Common Mode Rejection Ratio)。
[0092] 具體實(shí)施例二(低壓采樣檢測(cè)）：
[0093] 如前述:為了測(cè)量電池的電流、溫度等，設(shè)置的低壓采樣模塊分別為第一低壓采樣 模塊和第二低壓采樣模塊。如果是為了測(cè)量電池的溫度，第一低壓采樣模塊和第二低壓采 樣模塊中設(shè)置有熱敏電阻；如果是為了測(cè)量電池的電流，第一低壓采樣模塊和第二低壓采 樣模塊中設(shè)置有霍爾器件。
[0094] 運(yùn)里具體W測(cè)量電池的溫度為例說明低壓檢測(cè)的過程。測(cè)量電池溫度的主要思想 是通過在電池上貼附熱敏電阻，將熱敏電阻連接為分壓結(jié)構(gòu)，通過熱敏電阻將電池的溫度 轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)從而能夠得到電池的溫度信息。
[00M]如圖11本發(fā)明應(yīng)用于電池監(jiān)控忍片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路的整理原理圖 二所示:與圖8不同的是增加了第一低壓采樣模塊和第二低壓采樣模塊。第一低壓采樣模塊 和第二低壓采樣模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)雖然是不同的，但是在連接是第一低壓采樣模塊和第二低 壓采樣模塊可W互換。圖中電阻RNTC是熱敏電阻。
[0096] 需要說明是的是圖11中并未具體示意出前述各個(gè)子模塊的具體端口名稱，但是根 據(jù)電路連接的與前述圖2對(duì)應(yīng)關(guān)系可W明確各個(gè)子模塊及其端口。圖中VSSH是高壓的地； VDDUVS化分別是低壓電源和低壓的地。另外，數(shù)/模轉(zhuǎn)換P或數(shù)/模轉(zhuǎn)換N的端口 VREF、 VTEMP、VREFGND與數(shù)字處理與控制模塊的連接關(guān)系并未具體示意出。
[0097] 下面將在圖11所示的基礎(chǔ)上介紹低壓采樣檢測(cè)（運(yùn)里具體為溫度采集過程）的過 程。包括電池溫度采樣過程和電池溫度轉(zhuǎn)換過程兩部分。
[0098] 電池溫度采樣過程：
[0099] 如圖12本發(fā)明具體實(shí)施例二的電池電壓采樣過程所示：在電池溫度采樣過程中 Sgnd、SVT、S3和S4閉合，其他開關(guān)打開。運(yùn)時(shí)電池溫度存儲(chǔ)在數(shù)/模轉(zhuǎn)換P和數(shù)/模轉(zhuǎn)換N中的 兩個(gè)電容陣列模塊的高位電容上，比較器的共模電壓設(shè)置為VCMUS5閉合），數(shù)/模轉(zhuǎn)換P和 數(shù)/模轉(zhuǎn)換N中的兩個(gè)電容陣列模塊的的高位和低位電容分別存儲(chǔ)不同的初始電荷。
[0100] 在運(yùn)個(gè)階段，WVINP和VI順為參考點(diǎn)的電荷為：
[0101] Qpi = Vddl ( Cmsbp ) +Vssl ( Clsbp ) -Vtp ( Cmsbpt ) -Vref ( Cmsbpr+Clsbpf )-
[0102] Vrefgnd ( Cmsbp+Clsbp-Cmsbp 廣 Clsbp 廣 Cmsbpr )
[010；3 ] Qni = Vddl ( Cmsbn ) +Vssl ( Clsbn ) -Vtn ( Cmsbnt ) -Vref ( Cmsbnr+Clsbnf )-
[0104 ] Vrefgnd ( Cmsbn+Clsbn-Cmsbn 廣 Clsbn 廣 Cmsbnr )
[0105] 其中對(duì)于參考端口 VINP ,CMSBP和化SBP是數(shù)/模轉(zhuǎn)換P中高位總電容和低位總電 容，CMSBPR和化SBPR分別是數(shù)/模轉(zhuǎn)換P中高位和低位連接到VREF的電容。
[0106] 對(duì)于參考端口 VI順，CMSBN和化SBN是數(shù)/模轉(zhuǎn)換N中高位總電容和低位總電容， CMSBNF和CLSBNF分別是數(shù)/模轉(zhuǎn)換N中高位和低位連接至IjVREF的電容。CMSBPT是溫度采樣電 容。
[0107] 電池溫度轉(zhuǎn)換過程：
[0108] 如圖13本發(fā)明具體實(shí)施例二的電池電壓轉(zhuǎn)換過程所示:在電池溫度轉(zhuǎn)換過程中， S6和S7閉合，其他開關(guān)打開。數(shù)/模轉(zhuǎn)換P和數(shù)/模轉(zhuǎn)換N中的電容開關(guān)陣列將采樣電容上的 電荷進(jìn)行電荷分配。
[0109] 在運(yùn)個(gè)階段，WVINP和VI順為參考點(diǎn)的電荷為：
[0110] Qp2 = Vinp ( Cmsbp+Clsbp ) -Vref ( Cmsbpf ' +Clsbpf '）-Vrefgnd ( Cmsbp+Clsbp-Cmsbpf ' -Clsbpf '）
[0"1 ] Qn2 = Vinn ( Cmsbn+Clsbn) -Vref ( Cmsbnf ' +Clsbnf '）-Vrefgnd ( Cmsbn+Clsbn-Cmsbnf ' -Clsbnf '）
[0112] 其中對(duì)于參考端口 VINP，CMSBPF'和化SBPF'分別是數(shù)/模轉(zhuǎn)換P中連接到VR邸的開 關(guān)陣列電容。
[0113] 對(duì)于參考端口 VINN ,CMSBNF '和化SBNF '分別是數(shù)/模轉(zhuǎn)換N中連接到VR邸的開關(guān)陣 列電容。
[0114] 依據(jù)電荷守恒原理：
[0115] QP2 = QP1,QN2 = QN1；
[0116] VINP和VI順的電壓可推導(dǎo)為：
[0117]
[0119] 由于：
[0120] CMSBP = CMSBN=CMSB;
[0121] CLSBP = CLSBN=CLSB;
[0122] CMSBPT = CMSBNT = CT = CMSB/2 ；
[0123] CLSBPF = CLSB-CLSBNF;
[0124] CMSBNR = CMSB-CMSBPT-CMSBPR；
[0125] CMSBPF' =CMSB-CMSBNF' ；
[01%]化SBPF' =化SB-化SBNF' ；
[0127] 從而推導(dǎo)出比較器兩端電壓與輸入電池電壓的關(guān)系式如下：
[012 引
[0129] 從而可W檢測(cè)出電壓。
[0130] 與現(xiàn)有技術(shù)相比：
[0131] 本發(fā)明使用高壓和低壓開關(guān)同時(shí)結(jié)合高壓電容直接采集級(jí)聯(lián)電池組的電壓，而不 需要電壓轉(zhuǎn)換單元將電池組電壓轉(zhuǎn)換為低壓再進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，從而提高采樣速率和采樣精 度。
[0132] 高壓壓測(cè)量采用全差分的結(jié)構(gòu)，可W有效地消除共模干擾，具有很好的共模抑制 t：k(CMRR，Common Mode Rejection Ratio)。
[0133] 對(duì)于低壓的溫度測(cè)量，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)同樣可W實(shí)現(xiàn)完美的對(duì)稱性，在共模抑制比 (CMRR)上同樣具有優(yōu)勢(shì)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種應(yīng)用于電池監(jiān)控芯片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，包括:高壓采 樣模塊、低壓處理模塊、比較器、數(shù)字處理與控制模塊和數(shù)/模轉(zhuǎn)換；電池接高壓采樣模塊， 電池的高壓信號(hào)經(jīng)高壓采樣模塊采樣后輸出給低壓處理模塊;低壓處理模塊的輸出給比較 器;比較器將比較的結(jié)果送給數(shù)字處理與控制模塊;數(shù)字處理與控制模塊控制數(shù)/模轉(zhuǎn)換模 塊;數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊分別與高壓采樣模塊和低壓處理模塊相連。2. 如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于電池監(jiān)控芯片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路，其特征在 于:高壓采樣模塊包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)一樣的子模塊:高壓采樣模塊P和高壓采樣模塊N;低壓處理 模塊包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)一樣的子模塊:低壓處理模塊P和低壓處理模塊N;數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊包括兩 個(gè)結(jié)構(gòu)一樣的子模塊:數(shù)/模轉(zhuǎn)換P和數(shù)/模轉(zhuǎn)換N;電池的正、負(fù)極分別接高壓采樣模塊P的 IN端和高壓采樣模塊N的IN端；高壓采樣模塊P的SW端和高壓采樣模塊N的SW端之間通過開 關(guān)S2連接;高壓采樣模塊P的OUT端、低壓處理模塊P的LSB端以及數(shù)/模轉(zhuǎn)換P的LSB端連接在 一起;高壓采樣模塊N的OUT端、低壓處理模塊N的LSB端以及數(shù)/模轉(zhuǎn)換N的LSB端連接在一 起;低壓處理模塊P的MSB端和數(shù)/模轉(zhuǎn)換P的MSB端連接;低壓處理模塊N的MSB端和數(shù)/模轉(zhuǎn) 換N的MSB端連接;低壓處理模塊P的COMP端和比較器的正相端相連;低壓處理模塊N的COMP 端和比較器的反相端相連。3. 如權(quán)利要求1和2任一所述的應(yīng)用于電池監(jiān)控芯片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路，其 特征在于:還包括濾波器模塊，濾波器設(shè)置在電池與高壓采樣模塊之間。4. 如權(quán)利要求3所述的應(yīng)用于電池監(jiān)控芯片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路，其特征在 于：電池的正、負(fù)極分別連接濾波器的輸入INP和INN;濾波器的輸出INP和INN分別接高壓采 樣模塊P的IN端和高壓采樣模塊N的IN端。5. 如權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于電池監(jiān)控芯片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路，其特征在 于:還包括低壓采樣模塊;低壓采樣模塊與數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊相連。6. 如權(quán)利要求5所述的應(yīng)用于電池監(jiān)控芯片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路，其特征在 于:低壓采樣模塊分別為第一低壓采樣模塊和第二低壓采樣模塊。7. 如權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于電池監(jiān)控芯片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路，其特征在 于：高壓米樣子模塊的結(jié)構(gòu)為:端口 IN接開關(guān)SW的一端;開關(guān)SW的另一端、開關(guān)Sgnd的一端 以及電容Cs的一端連接在一起作為高壓采樣子模塊的端口 S;電容Cs的另一端接端口 OUT。8. 如權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于電池監(jiān)控芯片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路，其特征在 于:低壓處理子模塊的結(jié)構(gòu)為:MSB端通過開關(guān)S3接電源VDDL、通過開關(guān)S6接端口 COMP和開 關(guān)S5的一端;開關(guān)S5的另一端接電壓VCML;低壓處理子模塊的LSB端通過開關(guān)S4接地VSSL、 通過開關(guān)S7接端口 COMP和開關(guān)S5的一端。9. 如權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于電池監(jiān)控芯片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路，其特征在 于:數(shù)/模轉(zhuǎn)換子模塊包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的電容陣列模塊，兩個(gè)電容陣列模塊分別作為高位 電容陣列模塊和低位電容陣列模塊使用;高位電容陣列模塊的端口 SB接MSB，低位電容陣列 模塊端口 SB接LSB。10. 如權(quán)利要求9所述的應(yīng)用于電池監(jiān)控芯片的全差分模數(shù)采樣和轉(zhuǎn)換電路，其特征在 于：電容陣列模塊由m個(gè)按照二進(jìn)制加權(quán)排列的電容組成，所有電容的一個(gè)極板連接在一起 接端口 SB，電容的另一端通過開關(guān)切換分別可以選擇連接到REF、TEMP或者REFGND端，m為大 于等于1的正整數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01R31/36GK105954681SQ201610318022
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月15日
【發(fā)明人】張啟東
【申請(qǐng)人】西安矽源半導(dǎo)體有限公司