一種基於雙採樣技術的高壓信號採樣電路的製作方法

2023-05-17 17:09:06 1

本發明屬於高電壓採樣技術領域，特別是涉及一種基於雙採樣技術的高壓信號採樣電路。

背景技術：

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對生活環境的要求也有了更高的追求。因此，為了減小汽車的尾氣排放，減小環境汙染，電動自行車、電動汽車、單腳滑行車等新型交通工具越來越受到人們的關注和喜愛。其中，電池作為這些產品的核心部分，它的安全性和使用壽命成為了產品設計的考慮重點。因而，為了提高電池的使用壽命以及確保電池使用的安全性，對電池充放電監視、管理和控制電路晶片被提出，並且有效地用在了不同的電子產品當中。圖1為一種多節級聯電池組監視器簡單框圖，如圖1所示，該監視器首先通過開關si選擇被監測的電池，然後將檢測到模擬信號通過一個模數轉換器轉換成數位訊號並傳送給檢測電路，由檢測電路對所選電池的電壓情況進行測量，從而來控制對電池的充放電。其中，開關s1，s2到sn中每次只允許一個開關被打開，其餘開關均為閉合狀態，即每次只有一節電池被測量。由於多節電池級聯的原因，因此位於電池組頂端的電池電壓較高。

圖2為典型的模數轉換器中高壓信號採樣電路，該電路用於對電池電壓進行採樣電路，其包括：第一採樣電容cs1、第二採樣電容cs2、全差分跨導放大器s、第一積分電容ci1、第二積分電容ci2、第一開關c1、第二開關c2、第三開關c3、第四開關c4、第五開關c5、第六開關c6、第七開關c7和第八開關c8，其中：

第一開關c1的一端為本採樣電路的正輸入端，輸入信號vinp，另一端依次通過第一採樣電容cs1和第七開關c7與全差分跨導放大器s的同相輸入端連接，第二開關c2的一端為本採樣電路的負輸入端，輸入信號vinn，另一端依次通過第二採樣電容cs2和第八開關c8與全差分跨導放大器s的反相輸入端連接，第三開關c3的一端與第二採樣電容cs2和第八開關c8的連接點相連接，另一端接參考電壓vcm，第四開關c4的一端與第一採樣電容cs1和第七開關c7的連接點相連接，另一端接參考電壓vcm，第五開關c5的一端與第一開關c1和第一採樣電容cs1的連接點相連接，另一端接參考電壓vcm，第六開關c6的一端與第二開關c2和第二採樣電容cs2的連接點相連接、另一端接參考電壓vcm，第一積分電容ci1的一端與全差分跨導放大器s的同相輸入端連接，另一端與全差分跨導放大器s的負輸出端連接；第二積分電容ci2的一端與全差分跨導放大器s的反相輸入端連接、另一端與全差分跨導放大器s的正輸出端連接。

所述的全差分跨導放大器s為雙端輸入、雙端輸出的全差分跨導放大器，放大器輸出差除以輸入差為放大器增益，即voutp-voutn＝a(vinp-vinn)，a為放大器增益。

所述的第一採樣電容cs1和第二採樣電容cs2的容量相等，且容量＝cs；所述的第一積分電容ci1和第二積分電容ci2的容量相等，且容量＝ci。

所述的本採樣電路的正輸入端通過選通開關s1-sn的一組觸點與電池v1-vn的正極相連接、本採樣電路的負輸入端通過多個選通開關s1-sn的另一組觸點與多個電池v1-vn的負極相連接。

所述的第一至第八開關c1-c8在第一時鐘信號clk1和第二時鐘信號clk2的控制下進行選通和關閉，當第一時鐘信號clk1為高電平時，第二時鐘信號clk2為低電平，在第一時鐘信號clk1高電平作用下第一開關c1、第二開關c2、第三開關c3和第四開關c4被選通；在第二時鐘信號clk2低電平作用下第五開關c5、第六開關c6、第七開關c7和第八開關c8閉合，被選電池的上端電壓vinp充電到電路上部的第一採樣電容cs1上，即電路上部的第一採樣電容cs1兩端的電壓為電池的陽極電壓對參考電壓vcm(vcm為較低電壓)的電壓差。同時，被選電池的下端電壓充電到電路下部的第二採樣電容cs2上，即電路下部第二採樣電容cs2兩端的電壓為電池的陰極電壓對電壓vcm的電壓差。當第二時鐘信號clk2為高電平時，第一時鐘信號clk1為低電平，在第二時鐘信號clk2作用下第五至第八開關c5-c8打開，在第一時鐘信號clk1作用下第一至第四開關c1-c4閉合，第一採樣電容cs1和第二採樣電容cs2兩端電壓均為參考電壓vcm。此時，在放大器、電容和開關的作用下，採樣電容將採集的電荷進行放電，電荷傳輸到積分電容上，且電壓vcm1＝vcm。可見，從第一時鐘信號clk1到第二時鐘信號clk2，電路上部第一採樣電容cs1的電荷變化量為[(vip-vcm)-(vcm-vcm)]*cs＝(vip-vcm)*cs,電路下部第二採樣電容cs2的電荷變化量為[(vin-vcm)-(vcm-vcm)]*cs＝(vin-vcm)*cs，因此，被選電池上的電壓差為[(vip-vcm)*cs–(vin-vcm)*cs]/cs＝vip-vin。

例如：最頂端的電池，即第一節電池被選通，開關s1打開，該電池頂端電壓到地的電壓差為vinp＝v1+v2+…+vn，該電池底部電壓到地的電壓差為vinn＝v2+…+vn，其中，v1為該電池上的電壓，依次類推，vn為第n節電池上的電壓，即最底端電池上的電壓。在第一時鐘信號clk1為高電平時，最頂端第一節電池的陽極電壓充電到第一採樣電容cs1，第一節電池的陰極電壓充電到第二採樣電容cs2；在第二時鐘信號clk2為高電平時，採樣電容將採集到的電荷進行放電，從第一時鐘信號clk1到第二時鐘信號clk2，第一節電池上的電壓差為[(vinp-vcm)*cs–(vinn-vcm)*cs]/cs＝vinp-vinn＝v1。可見，開關當s1打開時(第一節電池被選)，由於n節電池的級聯，兩個採樣電容上的充電電壓(vinp-vcm)和(vinn-vcm)都比較高，因此，在電路中兩個採樣電容都需要「高壓電容」來實現，然而有些工藝並不提供「高壓電容「模型，而且提供「高壓電容」的工藝通常成本相對較高。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明的目的在於提供一種基於雙採樣技術的高壓信號採樣電路。

為了達到上述目的，本發明提供的基於雙採樣技術的高壓信號採樣電路包括：第三採樣電容cs3、第四採樣電容cs4、全差分跨導放大器s、第三積分電容ci3、第四積分電容ci4、第一開關c1、第二開關c2、第三開關c3、第四開關c4、第五開關c5、第六開關c6、第七開關c7和第八開關c8，其中：

第一開關c1的一端為本採樣電路的正輸入端，輸入信號vinp，另一端依次通過第三採樣電容cs3和第七開關c7與全差分跨導放大器s的同相輸入端連接，第二開關c2的一端為本採樣電路的負輸入端，輸入信號vinn，另一端依次通過第四採樣電容cs4和第八開關c8與全差分跨導放大器s的反相輸入端連接，第三開關c3的一端與第四採樣電容cs4和第八開關c8的連接點相連接，另一端接參考電壓vinp，第四開關c4的一端與第三採樣電容cs3和第七開關c7的連接點相連接，另一端接參考電壓vinn，第五開關c5的一端與第一開關c1和第三採樣電容cs3的連接點相連接，另一端接參考電壓vcm，第六開關c6的一端與第二開關c2和第四採樣電容cs4的連接點相連接，另一端接參考電壓vcm，第三積分電容ci3的一端與全差分跨導放大器s的同相輸入端連接，另一端與全差分跨導放大器s的負輸出端連接；第四積分電容ci4的一端與全差分跨導放大器s的反相輸入端連接，另一端與全差分跨導放大器s的正輸出端連接。

本發明提供的基於雙採樣技術的高壓信號採樣電路的效果及優點：該電路利用雙採樣技術，可有效解決低壓cmos工藝中因無高壓電容而無法實現對高壓鋰電池電壓採集問題，即能夠利用低壓cmos工藝代替高壓cmos工藝，從而降低成本。

附圖說明

圖1為多節級聯電池組監視器簡單框圖；

圖2為為典型的模數轉換器中高壓信號採樣電路原理圖；

圖3為本發明提供的基於雙採樣技術的高壓信號採樣電路的原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的基於雙採樣技術的高壓信號採樣電路進行詳細說明。

如圖3所示，本發明提供的基於雙採樣技術的高壓信號採樣電路包括：第三採樣電容cs3、第四採樣電容cs4、全差分跨導放大器s、第三積分電容ci3、第四積分電容ci4、第一開關c1、第二開關c2、第三開關c3、第四開關c4、第五開關c5、第六開關c6、第七開關c7和第八開關c8，其中：

第一開關c1的一端為本採樣電路的正輸入端，輸入信號vinp，另一端依次通過第三採樣電容cs3和第七開關c7與全差分跨導放大器s的同相輸入端連接，第二開關c2的一端為本採樣電路的負輸入端，輸入信號vinn，另一端依次通過第四採樣電容cs4和第八開關c8與全差分跨導放大器s的反相輸入端連接，第三開關c3的一端與第四採樣電容cs4和第八開關c8的連接點相連接，另一端接參考電壓vinp，第四開關c4的一端與第三採樣電容cs3和第七開關c7的連接點相連接，另一端接參考電壓vinn，第五開關c5的一端與第一開關c1和第三採樣電容cs3的連接點相連接，另一端接參考電壓vcm，第六開關c6的一端與第二開關c2和第四採樣電容cs4的連接點相連接，另一端接參考電壓vcm，第三積分電容ci3的一端與全差分跨導放大器s的同相輸入端連接，另一端與全差分跨導放大器s的負輸出端連接；第四積分電容ci4的一端與全差分跨導放大器s的反相輸入端連接，另一端與全差分跨導放大器s的正輸出端連接。

本發明提供的基於雙採樣技術的高壓信號採樣電路是將圖2示出的典型的模數轉換器中高壓信號採樣電路中第一採樣電容cs1用第三採樣電容cs3來代替，第二採樣電容cs2用第四採樣電容cs4來代替，第一積分電容ci1用第三積分電容ci3來代理，第二積分電容ci2用第四積分電容ci4來代替，並將第四開關c4上連接的參考電壓vcm改為連接輸入信號vinn，第三開關c3上連接的參考電壓vcm改為連接輸入信號vinp。

此時，當第一時鐘信號clk1為高電平，第二時鐘信號clk2為低電平時，在第一時鐘信號clk1作用下第一至第四開關c1-c4被選通，在第二時鐘信號clk2作用下第五至第八開關c5-c8被關閉，被選電池的上端陽極電壓和下端陰極電壓差充電到電路上部的第三採樣電容cs3上，即電路上部的第三採樣電容cs3兩端的電壓為電池陽極對電池陰極的電壓差。同時，被選電池的下端陰極電壓和上端陽極電壓充電到電路下部的第四採樣電容cs4上，即電路下部的第四採樣電容cs4兩端的電壓為電池的陰極電壓對電池陽極的電壓差。當第一時鐘信號clk1為低電平，第二時鐘信號clk2為高電平時，在第二時鐘信號clk2作用下開關第五至第八c5-c8打開，在第一時鐘信號clk1作用下開關第一至第四c1-c4關閉。在放大器、電容和開關以及輸入共模電壓控制電路的作用下，採樣電容將採集的電荷進行放電並傳輸到第三積分電容ci3和第四積分電容ci4上，若通過電路控制可得電壓vcm1＝vcm。可見，從第一時鐘信號clk1到第二時鐘信號clk2，電路上部的第三採樣電容ci3的電荷變化量為[(vinp-vin)-(vcm-vcm)]*cs/2＝(vinp-vinn)*cs/2,電路下部的第四採樣電容cs4的電荷變化量為[(vinn-vinp)-(vcm-vcm)]*cs/2＝(vin-vip)*cs/2，因此，被選電池上的電壓差為[(vinp-vinn)*cs/2–(vinn-vinp)*cs/2]/cs/2＝vinp-vinn。可見，在第一時鐘信號clk1作用時，採樣電容上的電壓差(vip-vin)為低電壓，故可以利用「低壓電容」實現對高壓信號的採樣。