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CN116559517A - 电池管理系统的正负电压采样电路 - Google Patents

电池管理系统的正负电压采样电路 Download PDF

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CN116559517A CN202310633951.1A CN202310633951A CN116559517A CN 116559517 A CN116559517 A CN 116559517A CN 202310633951 A CN202310633951 A CN 202310633951A CN 116559517 A CN116559517 A CN 116559517A
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杨智健
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陈余浪
李俊立
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Abstract

本发明公开了电池管理系统的正负电压采样电路。本发明包括P极开关阵列、N极开关阵列、四个采样电容、一个采样电阻和两个共模开关。P极开关阵列和N极开关阵列的结构相同，均包括16个开关。开关阵列的输入端接采样电阻的两端，输出端连接采样电容，采样电容连接共模开关一端，为采样电路的输出端，共模开关另一端连接后接共模电压。本发明将负压导致的开关的漏电流转移至非主采样通路，不影响主采样通路。本发明交替使用使用正采样过程和负采样过程实现斩波采样功能，减少电容失配对采样精度影响。本发明降低了电池管理系统的成本，提高了电流采样的精度。

Description

电池管理系统的正负电压采样电路
技术领域
本发明属于电子技术的电压检测领域，具体涉及一种电池管理系统中使用的高精度正负电压采样电路。
背景技术
电池管理系统(BMS)是为了智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。充电放电电流检测是BMS基础功能。通常在电流通路上串接采样电阻，将电流值转换成电压值进行采样。根据检测电阻串接位置不同，检测电流可分为两种检测方式：一种是高端检测，另外一种低端检测。高端检测时，采样电阻串接在电池正极。低端检测时，采样电阻串接在电池负极。高端检测需要检测电路耐高压，电路复杂成本高。低端检测在电池放电时会在采样电阻上产生正压，在电池充电时会在采样电阻上产生低于电极负极电压的负压。为了采样负压，通常需要使用放大器将负压进行电位抬升与放大，如专利CN202122280836、CN202211588798等。
开关电容可用于电压采样，但是在采样电压有负压情况下，采样开关两端有负电位，导致采样开关不能完全断开，漏电流影响了采样电压的精度。为了减少负压的漏电，可以在CMOS工艺上使用深N阱工艺，令CMOS开关放在深N阱中，然后使用负偏置电压令CMOS开关的体电压低于0V。但是这需要增加CMOS工艺的成本及需要产生CMOS开关的负偏置体电压的电路。
发明内容
本发明的目的就是针对负电压产生漏电的情况下，提供一种不受漏电流影响的高精度正负电压采样电路，可以消除负压漏电对采样精度的影响，同时不需要深N阱工艺，而且不需要使用放大器的电位抬升放大器。
本发明包括：
P极开关阵列、N极开关阵列、四个采样电容、一个采样电阻和两个共模开关。
P极开关阵列和N极开关阵列的结构相同，均包括16个开关，所有的开关均为NMOS开关，NMOS开关的源极为开关的一端，漏极为开关的另一端，栅极为开关的控制端。
开关阵列的具体结构是：
第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的一端连接，作为开关阵列正输入端，第五开关、第六开关、第七开关和第八开关的一端连接，作为开关阵列负输入端；
第九开关和第十开关的一端连接第一开关的另一端，第十一开关和第十二开关的一端连接第六开关的另一端，第二开关、第五开关、第十开关和第十二开关的另一端连接；第九开关和第十一开关的另一端连接，作为开关阵列正输出端；
第十三开关和第十四开关的一端连接第三开关的另一端，第十五开关和第十六开关的一端连接第八开关的另一端，第四开关、第七开关、第十四开关和第十六开关的另一端连接；第十三开关和第十五开关的另一端连接，作为开关阵列负输出端。
P极开关阵列的正输入端和N极开关阵列正输入端接采样电阻的一端，作为采样电路的正输入端，P极开关阵列的负输入端和N极开关阵列负输入端接采样电阻的另一端，作为采样电路的负输入端。
P极开关阵列的正输出端连接第一采样电容的一端，负输出端连接第二采样电容的一端，第一采样电容和第二采样电容的另一端连接第一共模开关的一端，作为采样电路的正输出端；N极开关阵列的正输出端连接第三采样电容的一端，负输出端连接第四采样电容的一端，第三采样电容和第四采样电容的另一端连接第二共模开关的一端，作为采样电路的负输出端；第一共模开关和第二共模开关的另一端连接后接共模电压Vcm。
本发明在不增加额外CMOS深N阱工艺前提下，通过漏电流的转移，令负压导致的开关的漏电流转移至非主采样通路，不影响主采样通路。本发明不需要放大器，只需要开关即可实现负压精准采样，可交替使用使用正采样过程和负采样过程实现斩波采样功能，减少电容失配对采样精度影响，电路实现代价低，工艺适应性强，降低了电池管理系统的成本，提高了电流采样的精度。
附图说明
图1为本发明的电路图；
图2为正采样操作示意图；
图3为正移位操作和负移位操作示意图；
图4为正采样操作示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步描述。
电池管理系统的正负电压采样电路，如图1所示，包括：P极开关阵列、N极开关阵列、四个采样电容、一个采样电阻和两个共模开关。
P极开关阵列和N极开关阵列的结构相同(图1中虚线框)，均包括16个开关，所有的开关均为NMOS开关，NMOS开关的源极为开关的一端，漏极为开关的另一端，栅极为开关的控制端。
以P极开关阵列为例，具体结构是：
第一开关P1、第二开关P2、第三开关P3和第四开关P4的一端连接，作为开关阵列正输入端，第五开关P5、第六开关P6、第七开关P7和第八开关P8的一端连接，作为开关阵列负输入端；
第九开关P9和第十开关P10的一端连接第一开关P1的另一端，第十一开关P11和第十二开关P12的一端连接第六开关P6的另一端，第二开关P2、第五开关P5、第十开关P10和第十二开关P12的另一端连接；第九开关P9和第十一开关P11的另一端连接，作为开关阵列正输出端；
第十三开关P13和第十四开关P14的一端连接第三开关P3的另一端，第十五开关P15和第十六开关P16的一端连接第八开关P8的另一端，第四开关P4、第七开关P7、第十四开关P14和第十六开关P16的另一端连接；第十三开关P13和第十五开关P15的另一端连接，作为开关阵列负输出端。
如图1，N极开关阵列对应P极开关阵列相同位置的开关序号与P极开关阵列相同。
P极开关阵列的正输入端和N极开关阵列正输入端接采样电阻R的一端，作为采样电路的正输入端P，P极开关阵列的负输入端和N极开关阵列负输入端接采样电阻R的另一端，作为采样电路的负输入端N。采样电路的正输入端P接电池的负极，电池的正极接入充电器的正极，采样电路的负输入端N接充电器的负极。
P极开关阵列的正输出端连接第一采样电容C1的一端，负输出端连接第二采样电容C2的一端，第一采样电容C1和第二采样电容C2的另一端连接第一共模开关S1的一端，作为采样电路的正输出端Po；N极开关阵列的正输出端连接第三采样电容C3的一端，负输出端连接第四采样电容C4的一端，第三采样电容C3和第四采样电容C4的另一端连接第二共模开关S2的一端，作为采样电路的负输出端No；第一共模开关S1和第二共模开关S2的另一端连接后接共模电压Vcm。
采样过程分为正采样过程和负采样过程。正采样过程与负采样过程的交替使用实现斩波采样功能，减少电容失配对采样精度影响。由于电池放电过程电路不会产生负压，不会产生由漏电引起的精度损失，以下以会出现负电压的充电场景进行说明。以采样电阻为100毫欧、充电电流2安培为例，2安培电流从充电器的正极流过电池到达P点，并流向N点，再流回充电器的负极。共模电压Vcm＝2.5V时，可得Vp＝0V,Vn＝-200mV。
正采样过程为连续的两个操作：正采样操作和正移位操作。
如图2所示，正采样操作具体是：闭合P极开关阵列中的第五开关P5、第六开关P6、第七开关P7、第八开关P8、第十开关P10、第十一开关P11、第十四开关P14、第十五开关P15，N极开关阵列中的第一开关N1、第二开关N2、第三开关N3、第四开关N4、第九开关N9、第十二开关N12、第十三开关N13、第十六开关N16，以及第一共模开关S1和第二共模开关S2，其他开关断开。第一采样电容C1和第二采样电容C2的一端电压为N点电压Vn，另一端电压为共模电压Vcm；第三采样电容C3和第四采样电容C4的一端电压为P点电压Vp，另一端电压为共模电压Vcm。开关P9、P13、N11和N15两端电压相等，不产生漏电，不影响C1、C2、C3和C4与开关阵列输出端连接处的电压。
如图3所示，正移位操作具体是：同时断开所有开关，然后闭合P极开关阵列中的第一开关P1、第二开关P2、第七开关P7、第八开关P8、第九开关P9、第十二开关P12、第十四开关P14、第十五开关P15，以及N极开关阵列中的第一开关N1、第二开关N2、第七开关N7、第八开关N8、第九开关N9、第十二开关N12、第十四开关N14、第十五开关N15。第一采样电容C1和第三采样电容C3的一端电压为P点电压Vp，第二采样电容C2和第四采样电容C4的一端电压为N点电压Vn。由电荷守恒定律，采样电路正输出端Po的电压VPo＝Vcm+(Vp-Vn)/2，采样电路负输出端No的电压VNo＝Vcm-(Vp-Vn)/2，VPo-VNo＝Vp-Vn,实现正电压采样与电平移位。开关P11、P13、N11和N13两端电压相等，不产生漏电，不影响C1、C2、C3和C4与开关阵列输出端连接处的电压。
负采样过程为连续的两个操作：负采样操作和负移位操作。
如图4所示，负采样操作具体是：闭合P极开关阵列中的第一开关P1、第二开关P2、第三开关P3、第四开关P4、第九开关P9、第十二开关P12、第十三开关P13、第十六开关P16，N极开关阵列中的第五开关N5、第六开关N6、第七开关N7、第八开关N8、第十开关N10、第十一开关N11、第十四开关N14、第十五开关N15，以及第一共模开关S1和第二共模开关S2，其他开关断开。第一采样电容C1和第二采样电容C2的一端电压为P点电压Vp，另一端电压为共模电压Vcm；第三采样电容C3和第四采样电容C4的一端电压为N点电压Vn，另一端电压为共模电压Vcm。开关P11、P15、N9和N13两端电压相等，不产生漏电，不影响C1、C2、C3和C4与开关阵列输出端连接处的电压。
负移位操作与正移位操作相同：同时断开所有开关，然后闭合P极开关阵列中的第一开关P1、第二开关P2、第七开关P7、第八开关P8、第九开关P9、第十二开关P12、第十四开关P14、第十五开关P15，以及N极开关阵列中的第一开关N1、第二开关N2、第七开关N7、第八开关N8、第九开关N9、第十二开关N12、第十四开关N14、第十五开关N15。第一采样电容C1和第三采样电容C3的一端电压为P点电压Vp，第二采样电容C2和第四采样电容C4的一端电压为N点电压Vn。由电荷守恒定律，采样电路正输出端Po的电压VPo＝Vcm-(Vp-Vn)/2，采样电路负输出端No的电压VNo＝Vcm+(Vp-Vn)/2，VPo-VNo＝-(Vp-Vn),实现负电压采样与电平移位。开关P11、P13、N11和N13两端电压相等，不产生漏电，不影响C1、C2、C3和C4与开关阵列输出端连接处的电压。
本发明在不增加额外CMOS深N阱工艺前提下，通过漏电流的转移，令负压导致的开关的漏电流不影响主采样通路。本发明不需要放大器，只需要开关即可实现负压精准采样，可交替使用使用正采样过程和负采样过程实现斩波采样功能，减少电容失配对采样精度影响，电路实现代价低，工艺适应性强，降低了电池管理系统的成本，提高了电流采样的精度。
应该理解的是上述实例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.电池管理系统的正负电压采样电路，其特征在于，包括：P极开关阵列、N极开关阵列、四个采样电容、一个采样电阻和两个共模开关；
所述的P极开关阵列和N极开关阵列的结构相同，均包括16个开关，开关阵列的具体结构是：
第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的一端连接，作为开关阵列正输入端，第五开关、第六开关、第七开关和第八开关的一端连接，作为开关阵列负输入端；
第九开关和第十开关的一端连接第一开关的另一端，第十一开关和第十二开关的一端连接第六开关的另一端，第二开关、第五开关、第十开关和第十二开关的另一端连接；第九开关和第十一开关的另一端连接，作为开关阵列正输出端；
第十三开关和第十四开关的一端连接第三开关的另一端，第十五开关和第十六开关的一端连接第八开关的另一端，第四开关、第七开关、第十四开关和第十六开关的另一端连接；第十三开关和第十五开关的另一端连接，作为开关阵列负输出端；
P极开关阵列的正输入端和N极开关阵列正输入端接采样电阻的一端，作为采样电路的正输入端，P极开关阵列的负输入端和N极开关阵列负输入端接采样电阻的另一端，作为采样电路的负输入端；
P极开关阵列的正输出端连接第一采样电容的一端，负输出端连接第二采样电容的一端，第一采样电容和第二采样电容的另一端连接第一共模开关的一端，作为采样电路的正输出端；N极开关阵列的正输出端连接第三采样电容的一端，负输出端连接第四采样电容的一端，第三采样电容和第四采样电容的另一端连接第二共模开关的一端，作为采样电路的负输出端；第一共模开关和第二共模开关的另一端连接后接共模电压Vcm。
2.如权利要求1所述的电池管理系统的正负电压采样电路，其特征在于，所有的开关均为NMOS开关，NMOS开关的源极为开关的一端，漏极为开关的另一端，栅极为开关的控制端。
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