一种基于双采样技术的高压信号采样电路的制作方法

本发明属于高电压采样技术领域，特别是涉及一种基于双采样技术的高压信号采样电路。

背景技术：

随着人们生活水平的不断提高，人们对生活环境的要求也有了更高的追求。因此，为了减小汽车的尾气排放，减小环境污染，电动自行车、电动汽车、单脚滑行车等新型交通工具越来越受到人们的关注和喜爱。其中，电池作为这些产品的核心部分，它的安全性和使用寿命成为了产品设计的考虑重点。因而，为了提高电池的使用寿命以及确保电池使用的安全性，对电池充放电监视、管理和控制电路芯片被提出，并且有效地用在了不同的电子产品当中。图1为一种多节级联电池组监视器简单框图，如图1所示，该监视器首先通过开关si选择被监测的电池，然后将检测到模拟信号通过一个模数转换器转换成数字信号并传送给检测电路，由检测电路对所选电池的电压情况进行测量，从而来控制对电池的充放电。其中，开关s1，s2到sn中每次只允许一个开关被打开，其余开关均为闭合状态，即每次只有一节电池被测量。由于多节电池级联的原因，因此位于电池组顶端的电池电压较高。

图2为典型的模数转换器中高压信号采样电路，该电路用于对电池电压进行采样电路，其包括：第一采样电容cs1、第二采样电容cs2、全差分跨导放大器s、第一积分电容ci1、第二积分电容ci2、第一开关c1、第二开关c2、第三开关c3、第四开关c4、第五开关c5、第六开关c6、第七开关c7和第八开关c8，其中：

第一开关c1的一端为本采样电路的正输入端，输入信号vinp，另一端依次通过第一采样电容cs1和第七开关c7与全差分跨导放大器s的同相输入端连接，第二开关c2的一端为本采样电路的负输入端，输入信号vinn，另一端依次通过第二采样电容cs2和第八开关c8与全差分跨导放大器s的反相输入端连接，第三开关c3的一端与第二采样电容cs2和第八开关c8的连接点相连接，另一端接参考电压vcm，第四开关c4的一端与第一采样电容cs1和第七开关c7的连接点相连接，另一端接参考电压vcm，第五开关c5的一端与第一开关c1和第一采样电容cs1的连接点相连接，另一端接参考电压vcm，第六开关c6的一端与第二开关c2和第二采样电容cs2的连接点相连接、另一端接参考电压vcm，第一积分电容ci1的一端与全差分跨导放大器s的同相输入端连接，另一端与全差分跨导放大器s的负输出端连接；第二积分电容ci2的一端与全差分跨导放大器s的反相输入端连接、另一端与全差分跨导放大器s的正输出端连接。

所述的全差分跨导放大器s为双端输入、双端输出的全差分跨导放大器，放大器输出差除以输入差为放大器增益，即voutp-voutn＝a(vinp-vinn)，a为放大器增益。

所述的第一采样电容cs1和第二采样电容cs2的容量相等，且容量＝cs；所述的第一积分电容ci1和第二积分电容ci2的容量相等，且容量＝ci。

所述的本采样电路的正输入端通过选通开关s1-sn的一组触点与电池v1-vn的正极相连接、本采样电路的负输入端通过多个选通开关s1-sn的另一组触点与多个电池v1-vn的负极相连接。

所述的第一至第八开关c1-c8在第一时钟信号clk1和第二时钟信号clk2的控制下进行选通和关闭，当第一时钟信号clk1为高电平时，第二时钟信号clk2为低电平，在第一时钟信号clk1高电平作用下第一开关c1、第二开关c2、第三开关c3和第四开关c4被选通；在第二时钟信号clk2低电平作用下第五开关c5、第六开关c6、第七开关c7和第八开关c8闭合，被选电池的上端电压vinp充电到电路上部的第一采样电容cs1上，即电路上部的第一采样电容cs1两端的电压为电池的阳极电压对参考电压vcm(vcm为较低电压)的电压差。同时，被选电池的下端电压充电到电路下部的第二采样电容cs2上，即电路下部第二采样电容cs2两端的电压为电池的阴极电压对电压vcm的电压差。当第二时钟信号clk2为高电平时，第一时钟信号clk1为低电平，在第二时钟信号clk2作用下第五至第八开关c5-c8打开，在第一时钟信号clk1作用下第一至第四开关c1-c4闭合，第一采样电容cs1和第二采样电容cs2两端电压均为参考电压vcm。此时，在放大器、电容和开关的作用下，采样电容将采集的电荷进行放电，电荷传输到积分电容上，且电压vcm1＝vcm。可见，从第一时钟信号clk1到第二时钟信号clk2，电路上部第一采样电容cs1的电荷变化量为[(vip-vcm)-(vcm-vcm)]*cs＝(vip-vcm)*cs,电路下部第二采样电容cs2的电荷变化量为[(vin-vcm)-(vcm-vcm)]*cs＝(vin-vcm)*cs，因此，被选电池上的电压差为[(vip-vcm)*cs–(vin-vcm)*cs]/cs＝vip-vin。

例如：最顶端的电池，即第一节电池被选通，开关s1打开，该电池顶端电压到地的电压差为vinp＝v1+v2+…+vn，该电池底部电压到地的电压差为vinn＝v2+…+vn，其中，v1为该电池上的电压，依次类推，vn为第n节电池上的电压，即最底端电池上的电压。在第一时钟信号clk1为高电平时，最顶端第一节电池的阳极电压充电到第一采样电容cs1，第一节电池的阴极电压充电到第二采样电容cs2；在第二时钟信号clk2为高电平时，采样电容将采集到的电荷进行放电，从第一时钟信号clk1到第二时钟信号clk2，第一节电池上的电压差为[(vinp-vcm)*cs–(vinn-vcm)*cs]/cs＝vinp-vinn＝v1。可见，开关当s1打开时(第一节电池被选)，由于n节电池的级联，两个采样电容上的充电电压(vinp-vcm)和(vinn-vcm)都比较高，因此，在电路中两个采样电容都需要“高压电容”来实现，然而有些工艺并不提供“高压电容“模型，而且提供“高压电容”的工艺通常成本相对较高。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于双采样技术的高压信号采样电路。

为了达到上述目的，本发明提供的基于双采样技术的高压信号采样电路包括：第三采样电容cs3、第四采样电容cs4、全差分跨导放大器s、第三积分电容ci3、第四积分电容ci4、第一开关c1、第二开关c2、第三开关c3、第四开关c4、第五开关c5、第六开关c6、第七开关c7和第八开关c8，其中：

第一开关c1的一端为本采样电路的正输入端，输入信号vinp，另一端依次通过第三采样电容cs3和第七开关c7与全差分跨导放大器s的同相输入端连接，第二开关c2的一端为本采样电路的负输入端，输入信号vinn，另一端依次通过第四采样电容cs4和第八开关c8与全差分跨导放大器s的反相输入端连接，第三开关c3的一端与第四采样电容cs4和第八开关c8的连接点相连接，另一端接参考电压vinp，第四开关c4的一端与第三采样电容cs3和第七开关c7的连接点相连接，另一端接参考电压vinn，第五开关c5的一端与第一开关c1和第三采样电容cs3的连接点相连接，另一端接参考电压vcm，第六开关c6的一端与第二开关c2和第四采样电容cs4的连接点相连接，另一端接参考电压vcm，第三积分电容ci3的一端与全差分跨导放大器s的同相输入端连接，另一端与全差分跨导放大器s的负输出端连接；第四积分电容ci4的一端与全差分跨导放大器s的反相输入端连接，另一端与全差分跨导放大器s的正输出端连接。

本发明提供的基于双采样技术的高压信号采样电路的效果及优点：该电路利用双采样技术，可有效解决低压cmos工艺中因无高压电容而无法实现对高压锂电池电压采集问题，即能够利用低压cmos工艺代替高压cmos工艺，从而降低成本。

附图说明

图1为多节级联电池组监视器简单框图；

图2为为典型的模数转换器中高压信号采样电路原理图；

图3为本发明提供的基于双采样技术的高压信号采样电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于双采样技术的高压信号采样电路进行详细说明。

如图3所示，本发明提供的基于双采样技术的高压信号采样电路包括：第三采样电容cs3、第四采样电容cs4、全差分跨导放大器s、第三积分电容ci3、第四积分电容ci4、第一开关c1、第二开关c2、第三开关c3、第四开关c4、第五开关c5、第六开关c6、第七开关c7和第八开关c8，其中：

第一开关c1的一端为本采样电路的正输入端，输入信号vinp，另一端依次通过第三采样电容cs3和第七开关c7与全差分跨导放大器s的同相输入端连接，第二开关c2的一端为本采样电路的负输入端，输入信号vinn，另一端依次通过第四采样电容cs4和第八开关c8与全差分跨导放大器s的反相输入端连接，第三开关c3的一端与第四采样电容cs4和第八开关c8的连接点相连接，另一端接参考电压vinp，第四开关c4的一端与第三采样电容cs3和第七开关c7的连接点相连接，另一端接参考电压vinn，第五开关c5的一端与第一开关c1和第三采样电容cs3的连接点相连接，另一端接参考电压vcm，第六开关c6的一端与第二开关c2和第四采样电容cs4的连接点相连接，另一端接参考电压vcm，第三积分电容ci3的一端与全差分跨导放大器s的同相输入端连接，另一端与全差分跨导放大器s的负输出端连接；第四积分电容ci4的一端与全差分跨导放大器s的反相输入端连接，另一端与全差分跨导放大器s的正输出端连接。

本发明提供的基于双采样技术的高压信号采样电路是将图2示出的典型的模数转换器中高压信号采样电路中第一采样电容cs1用第三采样电容cs3来代替，第二采样电容cs2用第四采样电容cs4来代替，第一积分电容ci1用第三积分电容ci3来代理，第二积分电容ci2用第四积分电容ci4来代替，并将第四开关c4上连接的参考电压vcm改为连接输入信号vinn，第三开关c3上连接的参考电压vcm改为连接输入信号vinp。

此时，当第一时钟信号clk1为高电平，第二时钟信号clk2为低电平时，在第一时钟信号clk1作用下第一至第四开关c1-c4被选通，在第二时钟信号clk2作用下第五至第八开关c5-c8被关闭，被选电池的上端阳极电压和下端阴极电压差充电到电路上部的第三采样电容cs3上，即电路上部的第三采样电容cs3两端的电压为电池阳极对电池阴极的电压差。同时，被选电池的下端阴极电压和上端阳极电压充电到电路下部的第四采样电容cs4上，即电路下部的第四采样电容cs4两端的电压为电池的阴极电压对电池阳极的电压差。当第一时钟信号clk1为低电平，第二时钟信号clk2为高电平时，在第二时钟信号clk2作用下开关第五至第八c5-c8打开，在第一时钟信号clk1作用下开关第一至第四c1-c4关闭。在放大器、电容和开关以及输入共模电压控制电路的作用下，采样电容将采集的电荷进行放电并传输到第三积分电容ci3和第四积分电容ci4上，若通过电路控制可得电压vcm1＝vcm。可见，从第一时钟信号clk1到第二时钟信号clk2，电路上部的第三采样电容ci3的电荷变化量为[(vinp-vin)-(vcm-vcm)]*cs/2＝(vinp-vinn)*cs/2,电路下部的第四采样电容cs4的电荷变化量为[(vinn-vinp)-(vcm-vcm)]*cs/2＝(vin-vip)*cs/2，因此，被选电池上的电压差为[(vinp-vinn)*cs/2–(vinn-vinp)*cs/2]/cs/2＝vinp-vinn。可见，在第一时钟信号clk1作用时，采样电容上的电压差(vip-vin)为低电压，故可以利用“低压电容”实现对高压信号的采样。