电压检测与判断电路和具有其的动力电池系统的制作方法

本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种电压检测与判断电路和具有其的动力电池系统。

背景技术：

在电池包的应用中，电池通常有充电、静置和放电三种状态。为了对处在不同环境中的电池包做出及时正确的保护，往往需要对电池包的充、放电状态进行识别。特别是在电池包需要温度保护时，充电保护温度和放电保护温度有着极大差别，若充、放电状态识别不当，不同的温度可能对电池包造成损坏，甚至有爆炸的危险。因此，准确地识别电池包的充、放电状态至关重要。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种电压检测与判断电路，该电路无需基准电压，电路结构简单，也无需考虑比较器的失调电压带来的影响，可以对采样端采样的电压进行准确的检测与判断，从而正确识别电池包的充、放电状态。

本发明的另一个目的在于提出一种动力电池系统。

为实现上述目的，本发明一方面实施例提出了一种电压检测与判断电路，包括：检测处理模块，所述检测处理模块与电压采样端相连，所述检测处理模块用于根据所述电压采样端采样的电压输出第一检测电压；检测同类处理模块，所述检测同类处理模块用于仿制所述检测处理模块以生成一个与所述第一检测电压相对应的参考电压；电流源模块，所述电流源模块分别与所述检测处理模块和所述检测同类处理模块相连，所述电流源模块给所述检测处理模块和所述检测同类处理模块提供偏置电流；比较处理模块，所述比较处理模块分别与所述检测处理模块和所述检测同类处理模块相连，所述比较处理模块对所述第一检测电压和所述参考电压进行比较处理以输出电压检测信号。

本发明实施例的电压检测与判断电路，通过检测处理模块根据电压采样端采样的电压输出第一检测电压，检测同类处理模块仿制检测处理模块以生成一个与第一检测电压相对应参考电压，再通过电流源模块给检测处理模块和检测同类处理模块提供偏置电流，最后， 通过比较处理模块对第一检测电压和参考电压进行比较处理以输出电压检测信号。该电路无需基准电压，电路结构简单，也无需考虑比较器的失调电压带来的影响，可以对采样端采样的电压进行准确的检测与判断，从而可以正确识别电池包的充、放电状态。

根据本发明的一个实施例，所述检测处理模块通过对所述电压采样端采样的电压进行电平移位处理以输出所述第一检测电压。

根据本发明的一个实施例，所述的电压检测与判断电路，还包括：电阻修调模块，所述电阻修调模块连接在所述检测同类处理模块与所述比较处理模块之间，所述电阻修调模块用于根据所述检测同类处理模块的电阻和电流参数对所述电压采样端第一次采样的电压进行电阻修调。

根据本发明的一个实施例，所述电流源模块由内部恒流源和电流镜像单元构成。

根据本发明的一个实施例，所述电流镜像单元包括：第一pmos管，所述第一pmos管的源极和栅极均与所述内部恒流源的正极端相连，所述内部恒流源的负极端接地；第二pmos管，所述第二pmos管的源极和栅极均与所述第一pmos管的漏极相连，所述第二pmos管的漏极与内部供电电源相连；第三pmos管，所述第三pmos管的漏极与所述检测处理模块相连，所述第三pmos管的栅极与所述第一pmos管的栅极相连；第四pmos管，所述第四pmos管的漏极与所述第三pmos管的源极相连，所述第四pmos管的栅极与所述第二pmos管的栅极相连，所述第四pmos管的源极与所述内部供电电源相连；第五pmos管，所述第五pmos管的漏极与所述检测同类处理模块相连，所述第五pmos管的栅极与所述第一pmos管的栅极相连；第六pmos管，所述第六pmos管的漏极与所述第五pmos管的源极相连，所述第六pmos管的栅极与所述第二pmos管的栅极相连，所述第六pmos管的源极与所述内部供电电源相连。

根据本发明的一个实施例，所述检测处理模块包括：第一电阻，所述第一电阻的一端分别与所述电流源模块和所述比较处理模块相连；第七pmos管，所述第七pmos管的源极与所述第一电阻的另一端相连，所述第七pmos管的栅极与所述电压采样端相连；第二电阻，所述第二电阻的一端与所述第七pmos管的漏极相连，所述第二电阻的另一端接地。

根据本发明的一个实施例，所述检测同类处理模块包括：第八pmos管，所述第八pmos管的源极与所述电阻修调模块相连，所述第八pmos管的栅极接地；第三电阻，所述第三电阻的一端与所述第八pmos管的漏极相连，所述第三电阻的另一端接地。

根据本发明的一个实施例，所述电阻修调模块包括：修调电阻，所述修调电阻的一端分别与所述电流源模块和所述比较处理模块相连，所述修调电阻的另一端与所述第八pmos管的源极相连；熔断器，所述熔断器与所述修调电阻并联。

根据本发明的一个实施例，所述比较处理模块包括：比较器，所述比较器的正输入端 与所述检测同类处理模块相连，所述比较器的负输入端与所述检测处理模块相连；反相器，所述反相器的输入端与所述比较器的输出端相连，所述反相器的输出端用于输出所述电压检测信号。

为实现上述目的，本发明的另一方面实施例提出了一种动力电池系统，其包括上述的电压检测与判断电路。

本发明实施例的动力电池系统，通过上述的电压检测与判断电路，利用检测同类处理模块仿制检测处理模块生成参考电压，无需基准电压，电路结构简单，也无需考虑比较器的失调电压带来的影响，可以对采样端采样的电压进行准确的检测与判断，从而正确识别电池包的充、放电状态。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，

图1是现有技术中电池包放电状态的电流方向示意图；

图2是现有技术中电池包充电状态的电流方向示意图；

图3是现有技术中一种低电压的检测电路的示意图；

图4是现有技术中另一种低电压的检测电路的示意图；

图5是根据本发明一个实施例的电压检测与判断电路的方框示意图；

图6是根据本发明另一个实施例的电压检测与判断电路的方框示意图；以及

图7是根据本发明另一个实施例的电压检测与判断电路的电路原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一般电池包的充、放电状态是需要根据电流方向进行识别，通常的做法是将电流通过一个检流电阻rsense后转换成电压进行检测。如图1所示，当电池包处于放电状态时，电流从p+流向p-，并经过检流电阻rsense，ic(integratedcircuit，集成电路)的vin端的电压vvin参考gnd为正电压，即vvin＝i×rsense。如图2所示，当电池包处于充电状态时，电流从p-流向p+，并经过检流电阻rsense，ic的vin端的电压vvin参考gnd为负电压，即vvin＝-i×rsense。然而，由于检流电阻rsense很小，检测的电流i也很小，检测到的vin端的电压vvin也很小，处于毫伏级的量级，因此很 难将如此小的电压检测判断出来。

相关技术中，低电压的检测判断主要有以下两种实现方法。

如图3所示，将检测到的vin端的电压vvin直接比较判断，即将比较器comp的一端连接到vin端，另一端接一个基准电压。由于电压vin很小，所以基准电压通常是通过一个较大的基准电压vrefa，然后通过电阻分压得到一个很小的电压vrefb。此种实现方法的优点的是：原理简单，易想到，但缺点很多：第一，要得到一个较大基准电压vrefa，需要增加一定的电路实现；第二，经过电阻分压得到的vrefb受电压vrefa和分压电阻r1和r2比例精度影响；第三，vin判断结果受比较器comp的失调电压vos影响；第四，直接比较的电压较低，使得输入共模电平很低，影响比较的增益及翻转速度；第五，从保护ic的低功耗考虑，分压电阻r1和r2的阻值比较大，占用较大的晶圆面积，不利于成本控制。并且，此种方法即使不考虑基准偏差与分压电阻比例偏差的影响，比较器本身的失调也是无法忽略的。由比较器的特性可知，比较器翻转点vs＝vvin+vos或者vs＝vvin-vos，vvin检测判断电压越小(毫伏级量级)，工艺偏差导致的失调电压vos偏差(一般也是毫伏级量级)对比较器翻转点影响越大，即导致电流检测判定值偏差很大。

如图4所示，在图3所示的直接比较的基础上进行改进，将vin端的电压vvin经过运算放大器amp比例放大后再与基准电压比较。此方法的优点是：电压比例放大后，抬升了比较器comp两端比较的电压，消除比较器comp输入共模电平较低带来的增益不够问题，同时产生的基准电压不需要进行分压，可直接比较，减少了因基准分压所用的电阻，减少了部分晶圆面积。但此方法的缺点是：第一，仍然需要先产生一个较大基准电压vref，需要增加一定的电路实现；第二，仍然无法消除比较器失调电压vos带来的检测电压vin的偏差，受工艺波动影响明显。

针对上述问题，本发明提供了一种电压检测与判断电路。该电路一方面不需要产生一个基准电压，减少所用电路；另一方面不需要考虑比较器的失调电压vos带来的影响。

下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的电压检测与判断电路和具有其的动力电池系统。

图5是根据本发明一个实施例的电压检测与判断电路的方框示意图。如图5所示，该电压检测与判断电路包括：检测处理模块10、检测同类处理模块20、电流源模块30以及比较处理模块40。

其中，检测处理模块10与电压采样端vin相连，检测处理模块10用于根据电压采样端vin采样的电压vvin1输出第一检测电压vn。检测同类处理模块20用于仿制检测处理 模块10以生成一个与第一检测电压vn相对应的参考电压vp。电流源模块30分别与检测处理模块10和检测同类处理模块20相连，电流源模块30给检测处理模块10和检测同类处理模块20提供偏置电流。比较处理模块40分别与检测处理模块10和检测同类处理模块20相连，比较处理模块40对第一检测电压vn和参考电压vp进行比较处理以输出电压检测信号。在本发明实施例中，检测处理模块10通过对电压采样端vin采样的电压vvin1进行电平移位处理以输出第一检测电压vn。

进一步地，根据本发明的一个实施例，如图6所示，上述的电压检测与判断电路还可以包括：电阻修调模块60。

电阻修调模块60连接在检测同类处理模块20与比较处理模块40之间，电阻修调模块60用于根据检测同类处理模块20的电阻和电流参数对电压采样端vin第一次采样的电压vvin1进行电阻修调。

具体而言，如图6所示，将电压采样端vin与检测处理模块10相连，对电压采样端vin采样的电压vvin1进行电平移位处理，得到与vvin1呈固定关系的电压vn，连接比较处理模块40的一端。仿制检测处理模块10，复制出一个与检测处理模块10相同结构的检测同类处理模块20，以生成参考电压vp，连接比较处理模块40的另一端，同时，将检测同类处理模块20与测试平台50相连，测试平台50用于检测检测同类处理模块20的电阻和电流参数。

在进行电阻修调之前，检测出的电压采样端vin的电压为vvin1，然后，通过测试平台50测试检测同类处理模块20的实际电阻为rx，检测同类处理模块20的电阻理论值为r0，检测同类处理模块20支路的电流为it。假设需要得到的电压采样端vin的电压为vvin0，即电压采样端vin的目标电压为vvin0，那么，需要电阻修调模块60修调的电阻实际值为：rx0＝(vvin0-vvin1)/it，需要电阻修调模块60修调的电阻理论值为：rx0×r0/rx＝(vvin0-vvin1)×r0/(it×rx)。电阻修调模块60根据理论值对电阻修调完成后，再次检测的电压采样端vin的电压基本达到目标电压vvin0。最后，比较处理模块40对第一检测电压vn和参考电压vp进行比较处理后输出电压检测信号，以对电压采样端采样的电压进行检测与判断，并将电压检测信号从out端口输出。由此，该电路无需基准电压，电路结构简单，也无需考虑比较器的失调电压带来的影响，可以对采样端采样的电压进行准确的检测与判断，从而正确识别电池包的充、放电状态。

根据本发明的一个实施例，如图7所示，电流源模块30由内部恒流源iref和电流镜像单元构成。

电流镜像单元包括：第一pmos管pm1、第二pmos管pm2、第三pmos管pm3、第四pmos管pm4、第五pmos管pm5和第六pmos管pm6。其中，第一pmos管pm1 的源极和栅极均与内部恒流源iref的正极端相连，内部恒流源iref的负极端接地。第二pmos管pm2的源极和栅极均与第一pmos管pm1的漏极相连，第二pmos管pm2的漏极与内部供电电源power相连。第三pmos管pm3的漏极与检测处理模块相连，第三pmos管pm3的栅极与第一pmos管pm1的栅极相连。第四pmos管pm4的漏极与第三pmos管pm3的源极相连，第四pmos管pm4的栅极与第二pmos管pm2的栅极相连，第四pmos管pm4的源极与内部供电电源power相连。第五pmos管pm5的漏极与检测同类处理模块20相连，第五pmos管pm5的栅极与第一pmos管pm1的栅极相连。第六pmos管pm6的漏极与第五pmos管pm5的源极相连，第六pmos管pm6的栅极与第二pmos管pm2的栅极相连，第六pmos管pm6的源极与内部供电电源power相连。

如图7所示，检测处理模块10包括：第一电阻r1、第七pmos管pm7和第二电阻r2。第一电阻r1的一端分别与电流源模块30和比较处理模块40相连。第七pmos管pm7的源极与第一电阻r1的另一端相连，第七pmos管pm7的栅极与电压采样端vin相连。第二电阻r2的一端与第七pmos管pm7的漏极相连，第二电阻r2的另一端接地。

如图7所示，检测同类处理模块包括：第八pmos管pm8和第三电阻r3。第八pmos管pm8的源极与电阻修调模块60相连，第八pmos管pm8的栅极接地。第三电阻r3的一端与第八pmos管pm8的漏极相连，第三电阻r3的另一端接地。

如图7所示，电阻修调模块60包括：修调电阻rx和熔断器fuse。修调电阻rx的一端分别与电流源模块30和比较处理模块40相连，修调电阻rx的另一端与第八pmos管pm8的源极相连。熔断器fuse与修调电阻rx并联。

如图7所示，比较处理模块40包括：比较器401和反相器402。比较器401的正输入端与检测同类处理模块20相连，比较器401的负输入端与检测处理模块10相连。反相器402的输入端与比较器401的输出端相连，反相器401的输出端用于输出电压检测信号。

具体地，理论上检测处理模块10和检测同类处理模块20的支路电流大小相等，均等于内部恒流源iref的电流。但是，考虑到实际工艺制程有偏差，假设检测处理模块10支路的电流为ivin，第一电阻r1和第二电阻r2的总阻值为rvin，第七pmos管pm7的开启阈值vth7为固定属性参数值，则检测处理模块10的输出电压vn＝vvin1+ivin×rvin+vth7。同时，假设第八pmos管pm8的开启阈值vth8为固定属性参数值。首先，在测试平台50上加一个小电压，然后根据测得的实际电流计算出第三电阻r3的实际阻值为r30。然后，将测试平台50接地，可以检测出检测同类处理模块20支路的电流为it，最后，可以计算出参考电压vp＝vth8+it×r30。

具体地，在电阻修调模块60进行电阻修调之前，比较器401的翻转点为vvin1，则 vn＝vvin1+ivin×rvin+vth7＝vp+vos＝vth8+it×r30+vos，其中vos为比较器401的失调电压，是比较器401的固定属性参数。进一步，可以得到vos＝vvin1+ivin×rvin+vth7-vth8-it×r30。

电阻修调模块60进行电阻修调后，假设电压采样端vin的目标电压为vvin0，需要修调电阻rx修调的实际电阻的大小为rx0，则vn＝vvin0+ivin×rvin+vth7，vp＝vth8+it×r30+it×rx0，由vn＝vp+vos可得：

vvin0+ivin×rvin+vth7

＝vth8+it×r30+it×rx0+vos

＝vth8+it×r30+it×rx0+vvin1+ivin×rvin+vth7-vth8-it×r30

＝it×rx0+vvin1+ivin×rvin+vth7

化简可得：vvin0＝it×rx0+vvin1

需要修调电阻的实际值rx0＝(vvin0-vvin1)/it。

需要说明的是，在电路设计中，将修调电阻rx与第三电阻r3放置在同一区域内，可以近似认为两个电阻的偏差比例一致，第三电阻r3的实际值大小为r30，理论值大小为r31；修调电阻rx的实际值大小为rx0，理论值大小为rx1，那么rx0/rx1＝r30/r31，因此需要修调电阻的理论值rx1＝rx0×r31/r30＝(vvin0-vvin1)×r31/it×r30。

由此可知，只要将修调电阻rx按照理论值rx1进行修调，电压采样端vin的采样电压vvin1基本可等于目标电压vvin0，比较器401根据vp和vn进行比较处理后，反相器402将判断结果从out端口输出。

由此可知，该电路完全不需要考虑比较器401的失调电压vos带来的影响，电压采样端vin的采样电压vvin1仅和r3的实际值和it的大小有关，即使采样电压很小，也可以精确的检测和判断出来，如果将以上电路应用于电池包中，即可正确识别电池包的充、放电状态。

综上所述，本发明实施例的电压检测与判断电路，通过检测处理模块对电压采样端采样的电压进行电平移位处理以输出第一检测电压，检测同类处理模块仿制检测处理模块以生成参考电压，再通过电流源模块给检测处理模块和检测同类处理模块提供电流偏置，最后，通过比较处理模块对第一检测电压和参考电压进行比较处理以对电压采样端采样的电压进行检测与判断。该电路无需基准电压，电路结构简单，也无需考虑比较器的失调电压 带来的影响，可以对采样端采样的电压进行准确的检测与判断，从而可以正确识别电池包的充、放电状态。

此外，本发明的实施例还提出了一种动力电池系统，其包括上述的电压检测与判断电路。

本发明实施例的动力电池系统，通过上述的电压检测与判断电路，利用检测同类处理模块仿制检测处理模块生成参考电压，无需基准电压，电路结构简单，也无需考虑比较器的失调电压带来的影响，可以对采样端采样的电压进行准确的检测与判断，从而可以正确识别电池包的充、放电状态。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一 个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。