用于包括采样和保持电路的电流感测放大器的系统和方法与流程

本披露总体上涉及电路。更具体地，本披露涉及通过使用电流感测放大器(csa)或电压感测放大器(vsa)来感测电路中的(例如电池单元堆叠件中的)电压或电流的系统和方法。

b.

背景技术：

在许多高压电池应用中，csa电路用作测量电池单元堆叠件的充电和放电电流的安全测量件的一部分。典型地，csa电路使用分流电阻器来检测电压，然后从电压推导相应的充电或放电电流。图1展示了这种常规的电流感测放大器电路。电路100包括电池单元102、连接至模拟地120的感测电阻器104、以及具有反馈电容器110的放大器106。如图1中所描绘的，放大器106可以连接至adc108，该adc表示放大器106的输出处的负载。放大器106通常使得能够在其输出处进行电压采样，而不会“看到”或考虑到负载(此处为adc108)。

本领域技术人员将理解，一旦放大器106的输入改变，其输出就将在一些时间延迟后改变。此延迟部分地由反馈电容器110的存在引起，该反馈电容器表示电路100中某些有意地包括在内的电容或固有(即，寄生)电容。感测电阻器104馈入放大器106、并且通常为放大器106的输入提供相对小的电压信号，该放大器随后将该信号放大至可以被测量的某一实际水平。由于放大器106必须具有相对较大的增益以为小信号提供充足的放大，因此前端处的所不期望的噪声也将被放大。

旨在限制噪声放大的特定途径以限制放大器106的总体带宽为代价来运行，例如，通过有意地减缓处于更高的增益水平的电路100的运行、并且等待放大器106的输出稳定之后测量输出电压。然而，放大器106的稳定时间至少是大于adc108需要对放大器106的输出电压进行采样的采样时间的某一量级。一旦例如通过负载开关(图1中未示出)将adc108(典型地是电容性负载)连接至电路100的输出，来自电容性负载的电容性放电就传播至放大器106的输入、例如经由反馈电容器110。结果，流动穿过反馈路径的电荷引起信号扰动，该信号扰动贯穿电路100传播至放大器106的输入、并且迫使放大器106的输出必须在连接了adc108之后的某些有限量的时间内重新稳定。

换言之，一旦连接了adc108，绕放大器106的反馈环路就使得放大器输出处的干扰能够反馈至放大器输入，因此，放大器106需要显著地长于adc108执行电压测量所需要的时间的稳定时间。另外，如果adc108是双用途的或是在多个不同测量输入(图1中未示出)之间时分复用的多路复用adc，即，如果adc108不是专用adc(通常情况就是如此)，则在相对较长的时间里可能无法对放大器106的输出进行采样。

相应地，需要克服现有途径的缺点的系统和方法。

技术实现要素：

本申请的实施例提供了减小稳定时间的电流感测放大器系统和方法。在本申请的方面中，用于操作电流感测放大器的方法包括：在稳定阶段，操作包括反馈路径的csa电路以允许经历闭环稳定时间来在输出节点处使输出电压稳定；在采样和保持阶段，(例如通过断开开关)使得该反馈路径断开并且以开环构型操作该csa；使用采样和保持电路保持该输出电压；将负载耦合至该输出节点；并且允许经历开环稳定时间来减小对该csa的输入的改变或输出的改变的敏感度，该开环稳定时间短于该闭合稳定时间。

在本申请的方面中，该csa可以实施为差分电流反馈仪放大器，该电流反馈仪放大器提供输入和输入共模水平之间的隔离。该csa可以包括：放大器，该放大器耦合至该csa的输入；输出缓冲器，该输出缓冲器耦合至该放大器，该输出缓冲器并不限制信号的带宽、并且将负载驱动至稳定值，而不论该csa的输入如何，从而因此减小了该csa的稳定时间，该稳定时间由输出缓冲器的开环增益确定；输出开关，该输出开关耦合至该输出缓冲器，该输出开关被配置成用于耦合至负载；采样和保持电路，该采样和保持电路耦合至该放大器和该输出缓冲器(例如与之集成)，该采样和保持电路被配置成用于保持该输出缓冲器的输入电压；并且当该负载耦合至该csa时，该采样和保持电路防止从该csa的输出反馈至该csa的输入的电流到达该输出缓冲器；以及反馈环路，该反馈环路包括反馈电容器，在采样和保持阶段，该反馈环路断开，例如使该csa以开环构型运行来减小对该csa的输入的改变或输出的改变的敏感度。该csa可以包括多级联增益拓扑，该多级联增益拓扑包括密勒电容器或嵌套密勒电容以减小振荡，其中，该密勒电容器或该嵌套密勒电容中的至少一者将反馈网络的电极的频率分隔开以增大电路稳定性，并且其中，该采样和保持电路包括级间开关，在稳定阶段，该级间开关使得能够在输入级与输出级之间形成反馈路径，以允许输出电压稳定。

附图说明

将参考本发明的实施例，附图中可以展示这些实施例的示例。这些附图旨在为说明性的，并非限制性的。尽管总体上在这些实施例的背景下描述了本发明，但是应当理解的是，其不旨在将本发明的范围限制于这些具体实施例。

图1展示了使用常规测量系统的电路，该测量系统使用电流感测放大器(csa)电路。

图2展示了根据本披露的实施例的包括采样和保持电路的csa拓扑。

图3展示了根据本披露的实施例的包括采样和保持电路的示例性差分csa电路。

图4展示了根据本披露的实施例的包括采样和保持电路的示例性多级差分csa。

图5展示了包括根据本披露的实施例的csa的示例性系统。

图6是使用根据本披露的实施例的csa的流程图。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本发明的理解。然而将明显的是，本领域的技术人员可以在不具有这些细节的情况下实践本发明。此外，本领域的技术人员将认识到，以下所描述的本发明的实施例可以在有形计算机可读介质上以诸如过程、装置、系统、设备或方法等各种方式实施。

在图中示出的部件或模块展示了本发明的示例性实施例并且旨在避免混淆本发明。还应理解的是，贯穿本讨论，部件可以被描述为可以包括子单元的单独的功能单元，但是本领域技术人员将认识到的是，各种部件或其部分可以被分成单独的部件或者可以被集成在一起，包括集成在单个系统或部件中。应注意的是，本文所讨论的功能或操作可以被实施为部件。部件可以实施成软件、硬件、或其组合。

此外，在图内的部件或系统之间的连接不旨在局限于直接连接。然而，在这些部件之间的数据可以被中间部件修改、重新格式化或以其他方式改变。而且，可以使用额外的或更少的连接。还应注意的是，术语“耦合(coupled)”、“连接(connected)”或“通信地耦合(communicativelycoupled)”应被理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备的间接连接、以及无线连接。

在本说明书中，对“一个实施例(oneembodiment)”、“优选实施例(preferredembodiment)”、“实施例(anembodiment)”、或“多个实施例(embodiments)”的引用意味着，结合所述实施例所描述的具体特征、结构、特性或功能被包含在本发明的至少一个实施例中并且可以在不止一个实施例中。而且，在本说明书的不同地方出现的上述短语不一定都是指同一个实施例或多个实施例。

在本说明书中的不同地方使用的某些术语是用于说明并且不应被理解为限制。服务、功能或资源不限于单个服务、功能或资源；对这些术语的使用可以指可以是分散的或聚集的一组相关服务、功能或资源。此外，对存储器、数据库、信息库、数据存储设备、表、硬件等的使用可以在本文中用于指可以将信息输入或以其他方式记录到其中的一个或多个系统组件。

此外，应注意的是：(1)可以可选地执行某些步骤；(2)步骤可以不限于本文阐述的特定顺序；(3)可以按不同的顺序执行这些步骤；以及(4)可以同时完成某些步骤。

尽管本文件中的讨论主要集中于电流感测放大器，但本领域技术人员将理解的是，本披露的实施例同样地适用于并且可以实施为vsa。

图2展示了根据本披露的实施例的包括采样和保持电路的csa拓扑。csa200包括输入212、放大器202、采样和保持电路210，放大器或输出缓冲器204、输出216，输出开关240、以及反馈环路208，该反馈回路具有包括反馈因子(图2中被标记为“β”)的反馈网络220和反馈电容230。

应理解的是，电路200中的多个不同的部件(例如，采样和保持电路210)可以以分立部件(例如保持开关和保持电容器)实施，并且可以经由一个或多个控制信号(例如开关控制信号)来控制。在实施例中，输出开关240是负载开关，该负载开关是复用器(例如参见图5)的一部分，该复用器将多个输入(例如，206)耦合至adc(图2中未示出)。

反馈因子220被选择为使得反馈因子220和求和点206的组合表示包括内部节点的电阻分压器，该内部节点可以耦合至放大器202的输入207。电阻分压器中的电阻器的比率可以确定增益，使得输入212获得作为输出216的一部分的值。

注意到的是，放大器202、204，可以或可以不与csa200的两个不同级相对应。尽管csa200的拓扑被描绘为两级构架，该两级构架具有被描绘为独立放大器级的放大器202和放大器204，但本领域技术人员将理解的是，电路200可以使用任何数量的放大器级来实施。例如，在实施例中，电路200可以通过使用包括采样和保持电路210的单个放大器级来实施，或通过采用用于偏移消除的一个放大器级和执行采样和保持电路210功能的另一个放大器级来执行。在实施例中，电路200包括单个级，从而使得对此级的输出的重新配置允许相对快速的稳定时间。采样和保持电路210可以实施为放大器202或放大器204的一部分，例如作为放大器204的最终输出级的一部分。

在实施例中，例如，在正常运行模式中的稳定阶段，csa200可以以闭环构型运行，使得电路200的输出216可以以闭环稳定时间稳定至输出电压，即输出216达到期望的值。于是，在实施例中，在接合具有引入负载改变的输入电容的负载(例如adc(图2中未示出))之前的采样和保持阶段，电路200可以以开环构型运行，该开环构型利用采样和保持电路210来保持(即，存储或缓冲)放大器204的输入214处的电压，并且使放大器202从放大器204断开连接，例如切断反馈环路208，否则该反馈回路会将输出216联回输入212。

在实施例中，这可以例如通过断开位于与放大器202与204之间的开关(图2中未示出)来完成。因此，一旦将负载耦合至csa200，采样和保持电路210就防止负载的反冲干扰csa200的输出216处的电压的值。结果，以输出216处的缓冲电压驱动负载，使得由例如耦合至csa200的电容性负载所引起的扰动由于扰动不再具有通过电路200循环而到达放大器204的输入的路径的事实而相对较快地恢复。

在实施例中，输出缓冲器204将负载驱动至稳定值而不论输入212如何、并且用作中间点，越过该中间点，穿过输出缓冲器204的信号不再被限制带宽。这允许更快的稳定时间，其原因是输出缓冲器204的开环增益会确定稳定时间，而不是与csa200相关联的(多个)闭环带宽。结果，负载所引起的扰动对csa200具有显著减小的影响，从而引起稳定时间显著降低。

本领域技术人员将理解的是，本文中所披露的原理可应用于多种不同的拓扑。例如，如图3中所展示的，图2中所描绘的单端csa200可以同样地以差分设计来实施。

在实施例中，如图3和图4中所示出的，csa的构架可以包括一个或多个差分增益级，csa的增益可以是可选择的，例如通过调节绕放大器306的反馈环路308、309中的电阻器304、305的电阻值来选择。如所描绘的，图3展示了根据本披露的实施例的包括采样和保持电路的示例性差分csa拓扑。csa300包括输入电阻器320、322，放大器306，采样和保持电路318，输出330、332，反馈环路308、309，该反馈电路包括反馈电容302、303和反馈电阻器302、304。

如同图2中示出的单端构架，通过从闭环阶段切换至开环阶段，电路300中的采样和保持电路318使反馈环路308、309电解耦以防止来自输出330、332的电荷以使得可能负面地影响输出330、332处读取的电压的方式反馈回放大器输入holdm和holdp。在实施例中，即使是来自输出330、332的电荷可以到达输入320、322(即经由反馈电容器302、303)，当csa300连接至负载时，相应的信号也如论如何仍然被阻止循环回到输出330、332。

在实施例中，在自动归零阶段期间，可以将放大器306的输入电短路以使得能够进行测量和/或消除偏移电压的偏移测量。在实施例中，可以在例如将输入320、322耦合至输出330、332并且允许输出330、332稳定的稳定阶段之前对偏移电压进行采样。在实施例中，自动归零可以在电路200的一个或多个级中执行以例如消除放大器的输入偏移，从而例如防止偏移电压被倍乘以每个放大器级的增益，否则这可能引起显著的测量误差。

本领域技术人员将理解的是，自动归零和其他偏移消除技术所具有的额外益处是，可以从csa200移除(即抑制或消除)大量的1/f噪声。例如，可以通过斩波技术降低1/f噪声，例如通过利用合适的低抖动、固定脉冲-宽度时钟(图1中未示出)。

图4展示了根据本披露的实施例的包括采样和保持电路的示例性多级差分csa拓扑。为了简明起见，与图3中示出的组件类似的组件以类似的方式标记。为了简洁的目的，组件的功能的描述此处不予赘述。

应理解的是，图4中的级460、462可以具有与输出共用节点解耦的输入共用节点。每个级460、462可以具有其自己的偏移消除。级联以产生多个增益级的csa可以各自具有它们的自己的偏移消除和可编程增益，在实施例中，可以单独地选择偏移消除和可编程增益。可以例如通过改变包括电阻器404的反馈网络来调节增益设定值。

在实施例中，多级差分csa400的单独实例可以实施为电流反馈仪放大器，该电流反馈仪放大器有利地提供了输入和输出共模水平之间的隔离。然而，这不旨在作为对本披露的范围的限制，其原因是csa400可以使用单级放大器和多级放大器的任何组合来实施。放大器可以是本领域中已知的任何类型，例如电流反馈仪放大器、普通反向放大器、或交流放大器构架。

在实施例中，对于具有多个增益级的放大器(例如460、462)，可以执行密勒补偿(millercompensation)或嵌套密勒补偿(nestedmillercompensation)以实现电路稳定性。在实施例中，当使用包括反馈环路(例如，包括反馈电容器402和电阻器404的反馈环路408)的多级联增益拓扑时，保持电容器(例如，450)可以在密勒电容器补偿电路中使用(或重新使用)，或用作嵌套密勒电容。例如，输出430、432处的电容器450可以通过将反馈网络的电极的频率分隔开而为电路400提供稳定性，从而因此，防止不希望的振荡。

在实施例中，电路400中的开关410可以是级间开关，该级间开关用作采样和保持电路的一部分。在实施例中，例如在稳定阶段，开关410使得能够形成反馈环路408，从而因此将输入级460耦合至输出级462以允许输出430、432处的电压稳定至某一值。有利地，这可以例如在电路400等待输出430、432处的adc变得可用于电压测量的同时完成。

在实施例中，在稳定和保持阶段期间，一旦开关410断开并且反馈环路408被禁用，放大器462的输入处的电压值就可以由电容器450(例如，设计成用于为电路400提供稳定性的补偿电容器/密勒电容器)保持。在实施例中，电容器450可以保持/采样输出级462的输入处的中间节点(图4中被标记为holdm和holdp)处的输出电压。有利地，电容器450上所保持的所捕获的值允许电路400忽略发生在输入420、422处的事件。结果，当例如输出复用器开关(未示出)闭合以将输出430、432连接至adc时，输出430，432处的值将主要取决于放大器462的输入，并且不取决于在放大器460的输入420、422上可能发生的事件。

换言之，不需要使有可能事污染输入420、422的事件重新稳定，因为它们不会影响节点holdm和holdp上保持的值，并且输出430、432可以因此显著更快地恢复到已知的值、即电容器450所存储的值，而不是可能需要长的重新稳定时间的某些受污染的值。总的来说，作为切断反馈路径408的采样和保持电路的结果，放大器462将从扰动以快得多的恢复时间恢复到所保持的值，其原因是电路400不再受反馈网络408的时间常数的限制。

图5展示了包括根据本披露的实施例的csa的示例性系统。系统500包括电池堆叠502、csa516、复用器510、以及adc512，该电池堆叠可以包括任何数量的电池单元。在实施例中，复用器510耦合在csa516(例如，可编程增益放大器)与adc512之间。复用器510可以具有任何数量的输入，这些输入从例如电池或诊断电路系统接收信号。在实施例中，复用器510可以包括一个或多个开关(例如，嵌入在复用器510内)，该一个或多个开关用作用于csa516的输出开关(图5中未示出)。

在实施例中，电流感测电阻器508可以实施为电压感测电阻器，该电压感测电阻器例如耦合至电池堆叠502的低电压侧上的接地电位520。在实施例中，系统500包括在csa516的输入处的引脚，在这些引脚处，可以测量电池堆叠502中的充电或放电电流单元。感测电阻器508是相对小的电阻器(例如，50μω-100μω)，该电阻器可以被置于电池堆叠502的底部处，例如在电池1与接地电位520之间。

在运行中，电池堆叠502产生可以被感测电阻器508检测到的充电或放电电流。感测电阻器508产生与感测电阻器508的电阻值乘以充电或放电电流相等的电压。一旦将感测电阻器508耦合至csa516的(多个)输入，csa516就可以通过一些增益(例如取决于可编程设定)来放大测量到的电压，并且将经放大的电压输出至复用器510。复用器510进而将电压传递至adc512，该adc的输出电压值可以被进一步处理，例如如所希望地被存储、访问、或读取。

在实施例中，当adc512参与测量邻近的(或交替的)通道或输入(例如，经由复用器510)时，csa516稳定。于是，csa516可以以相对短的时间段(即短于csa516的稳定时间)耦合至adc512，使得adc512可以捕获csa516的输出处的电压，之后继续进行下一个adc测量。如之前参考图2所讨论的，当adc512(即，电容性负载)耦合至csa516时，由于存在某些(固有的)反馈电容，负载阻抗的改变使到csa516的输入电压发生扰动，从而导致了具有与adc512执行csa516上的测量所需要的时间相比相对较长的时间常数的稳定时间。多个不同的实施例确保了csa516在可接受的时间内从此扰动中恢复。

图6是使用根据本披露的实施例的csa的流程图。过程600开始于步骤602，在该步骤，例如在稳定阶段，包括反馈路径的csa电路运行以例如允许经历闭环稳定时间来在输出节点处使输出电压稳定至某一范围的值。

在步骤604，例如在采样和保持阶段，开关断开以例如切断反馈路径、并且使得csa电路以开环构型运行。

在步骤606，例如通过采样和保持电路来保持输出电压。

在步骤608，负载耦合至csa电路。

在步骤610，允许例如在输出节点处测量输出电压之前经历短于闭环稳定时间的开环稳定时间。

本领域技术人员将认识到，没有计算系统或编程语言对于本发明的实践是至关重要的。本领域技术人员还将认识到的是，以上所描述的多个元素可以被物理地和/或功能性地分成子模块或被组合。

对于本领域技术人员将理解的是，前述实例和实施例是示例性的并且不限于本披露的范围。意图是，在阅读本说明书和研究附图之后对本领域技术人员而言显而易见的所有排列、增强、等效物、组合以及对其的改进都包括在本披露的真实精神和范围内。还应注意的是，可以不同地安排任何权利要求中的元素，从而包括具有多种相关性、配置和组合。