一种高精度的连续时间双向电流采样电路及实现方法与流程

本发明涉及电源管理领域，具体地说，是涉及一种高精度的连续时间双向电流采样电路及实现方法。

背景技术：

在锂电池管理系统中，需要对电池电流信息进行采样，再通过adc转换成数字信息传送给微处理器进行监听，以此来监管锂电池的状态，达到保护锂电池的目的。在实际的使用过程中，锂电池可以是多节串联，也可以是多节并联，因此，预放大器的输入端将需要能够承受高压信号，由于采样电阻在采样过程中会发热导致效率变低，一般的采样电阻阻值将会很小，这将对采样精度带来很高的要求。此外，锂电池在充放电时，电流方向相反，所以也需要预放大器能够采集双向的电流。

现有一种如图1所示的采样电路，该采样电路设置在芯片内部，在该芯片上预留了两个采样端口vbus和vbat，以及一个电压输出端口vout，利用芯片外的电流采样电阻rs采集流过电池的电流；

当电池充电时，采样端口vbus的电压vbus大于采样端口vbat的电压vbat，通过level-shift电路控制mos管ma2导通，mux选择vbus信号输入到预放大器op1的vinm端，预放大器op1工作时使得vinm＝vinp，此时忽略mos管ma2的导通电阻，流过电阻ra2的电流为：

(vbat-vbus)/ra2

此电流在电阻rb上产生的输出电压为：

(vbat-vbus)*rb/ra2

设定预放大器的放大倍率k＝rb/ra2，那么最终的输出电压为：

(vbat-vbus)*k

同理，当电池充电时，vbat-vbus<0，level-shift电路控制mos管ma1导通，mux选择vbat信号输入到预放大器op1的vinm输入端，假设ra1＝ra2，最终输出电压为：

(vbus-vbat)×k；

现有的采样电路存在如下缺点：mos管ma1和ma2在导通时实际存在导通电阻，会影响输出的增益误差；在采样的过程中，需要通过选择信号控制level-shift电路，使得系统的灵活度不高；电路架构复杂，需要使用高压器件，大大地增加了芯片的面积和复杂度，且采样电路的精度只能达到1mv，若要提高精度，只能增加auto-zero或者chopping等工作方式，而这些方式的电路将进一步增加面积和开关噪声。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高精度的连续时间双向电流采样电路及实现方法，解决现有采样电路存在架构复杂、面积大，且精度不够高的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高精度的连续时间双向电流采样电路，包括设置在芯片外的电池充放电电路上的采样电阻rs，芯片内的电阻ra1、电阻ra2和电阻rb，设置在芯片上的两个采样端口vbus和vbat和一个电压输出端口vout，还包括预放大器，具有反馈信号输入端口的主放大器，mos管m1，mos管m2，以及具有两个输入端口、一个输出端口和一个反馈信号输出端口的共模反馈电路；

所述电阻ra1的一端与芯片的采样端口vbus连接、另一端分别与预放大器的正相输入端vinp和mos管m2的漏极连接，所述电阻ra2的一端与芯片的采样端口vbat连接、另一端分别与预放大器的反相输入端vinm和mos管m1的漏极连接，所述主放大器的正相输入端vmid_p与预放大器的反相输出端连接，所述主放大器的反相输入端vmid_m与预放大器的正相输出端连接，所述mos管m1的栅极与主放大器的正相输出端vgate_n连接，所述mos管m2的栅极与主放大器的反相输出端vgate_p连接，所述共模反馈电路的两个输入端口与主放大器的两个输出端连接、反馈信号输出端口与主放大器的反馈信号输入端口连接、输出端口与芯片上的电压输出端口vout连接。

进一步的，所述主放大器的输出端上连接有比较器，所述比较器的正相输入端与主放大器的反相输出端vgate_p连接，所述比较器的反相输入端与主放大器的正相输出端vgate_n连接，所述比较器的输出端连接用于指示电池充、放电状态的器件。

进一步的，所述预放大器的内部电路包括基极相互连接的三极管q1和三极管q2，两端分别连接在三极管q1的基极和发射极的电阻r3，源极连接在三极管q1集电极的mos管m5，源极连接在三极管q2集电极的mos管m6，源极连接在三极管q1基极的mos管m4，栅极相互连接的mos管m1和mos管m2，一端连接在mos管m5漏极、另一端连接在mos管m1漏极的poly电阻r1，一端连接在mos管m6漏极、另一端连接在mos管m1漏极的poly电阻r2，一端连接在mos管m2漏极、另一端接地的电容c1，栅极连接在mos管m2漏极的mos管m3，所述mos管m3的漏极与mos管m4的漏极连接，所述mos管m3的源极接地，所述mos管m4的栅极和漏极连接，所述mos管m4、m5、m6的栅极相互连接，所述mos管m1的栅极和漏极连接，所述mos管m2的漏极连接有偏置电流ib；

所述三极管q1的发射极作为预放大器的正相输入端，所述三极管q2的发射极作为预放大器的反相输入端，所述mos管m5的漏极作为预放大器的反相输出端，所述mos管m6的漏极作为预放大器的正相输出端。

进一步的，所述主放大器的内部电路包括栅极相互连接的mos管m7、mos管m8和mos管m11，栅极相互连接的mos管m12、mos管m9和mos管m10，所述mos管m12的源极与mos管m11的漏极连接，集电极连接在mos管m7漏极的三极管q3，集电极连接在mos管m8漏极的三极管q4，一端连接在mos管m12漏极、另一端连接在mos管m12栅极的电阻r4，栅极互相连接的mos管m13和mos管m14，栅极互相连接的mos管m15和mos管m16，所述mos管m13的漏极与mos管m9的漏极连接、源极与mos管m15的漏极连接，所述mos管m14的漏极与mos管m10的漏极连接、源极与mos管m16的漏极连接，所述mos管m15、m16的源极接地，所述mos管m11的栅极与mos管m12的漏极连接，所述mos管m9的源极与mos管m7的漏极连接，所述mos管m10的源极与mos管m8的漏极连接，所述三极管q3和三极管q4的发射极上连接有偏置电流ic，所述mos管m12栅极上连接有偏置电流ia；

所述三极管q3的基极作为主放大器的正相输入端，三极管q4的基极作为主放大器的反相输入端，mos管m9的漏极作为主放大器的正相输出端，mos管m10的漏极作为主放大器的反相输出端，mos管m15的栅极作为反馈信号输入端口。

进一步的，所述共模反馈电路包括漏极相互连接的mos管m17和mos管m18，阳极连接在mos管m17的漏极的二极管d1，连接在二极管d1阳极的偏置电流id，漏极连接在二极管d1阴极的mos管m19，漏极连接在mos管m19源极的mos管m20，所述mos管m20的栅极与漏极连接，所述mos管m17、m18、m20的源极接地；

所述mos管m17的栅极与主放大器的反相输出端vgate_p连接，所述mos管m18的栅极与主放大器的正相输出端vgate_n连接，所述mos管m19的栅极与电压输出端口vout连接，所述mos管m20的栅极作为反馈信号输出端口。

基于上述电路，本发明还提供了该电路充电、放电时的实现方法：

当电池充电时，实现方法包括如下步骤：

(1)当电池充电时，采样端口vbus测得的电压vbus大于采样端口vbat测得的电压vbat，在共模反馈电路的控制作用下，使得vgate_p>vgate_n，vgate_n<(vout+vgs1)，mos管m1关断，mos管m2导通；

其中，vgs1为mos管m1的导通电压，vgate_p为主放大器反相输出端的电压，vgate_n为主放大器正相输出端的电压，vout为电压输出端口的电压；

(2)在预放大器处于线性状态时，预放大器的正相输入端vinp和反相输入端vinm虚短，使得vinm＝vinp；

其中，vinm为预放大器反相输入端的电压，vinp为预放大器正相输入端的电压；

(3)在mos管m1关断时，流过电阻ra2的电流为零，使得vinm＝vbat，流过电阻ra1的电流为：i1＝(vbus-vbat)/ra1；

(4)此电流流过电阻rb时，在电阻rb上产生的输出电压vout为：

vout＝(vbus-vbat)*rb/ra1

设定预放大器和主放大器的闭环增益乘积k＝rb/ra1，则有：

vout＝k*(vbus-vbat)＝k*ichg*rs

式中，ichg为电池的充电电流；

在预放大器中形成高增益，在监测电池的充电电流时，可监测到较小的波动电流，从而达到保护电池的目的。

当电池放电时，实现方法包括如下步骤：

(1)当电池放电时，采样端口vbus测得的电压vbus小于采样端口vbat测得的电压vbat，在共模反馈电路的控制作用下使得vgate_p<vgate_n，vgate_p<(vout+vgs2)，mos管m1导通，mos管m2关断；

其中，vgs2为mos管m2的导通电压，vgate_p为主放大器反相输出端的电压，vgate_n为主放大器正相输出端的电压，vout为电压输出端口的电压；

(2)在预放大器处于线性状态时，预放大器的正相输入端vinp和反相输入端vinm虚短，使得vinm＝vinp；

其中，vinm为预放大器反相输入端的电压，vinp为预放大器正相输入端的电压；

(3)在mos管m2关断时，流过电阻ra1的电流为零，使得vinp＝vbus，流过电阻ra2的电流为：i2＝(vbat-vbus)/ra2；

(4)此电流流过电阻rb时，在电阻rb上产生的输出电压vout为：

vout＝(vbat-vbus)*rb/ra2

设定ra2＝ra1，预放大器和主放大器的闭环增益乘积k＝rb/ra2，则有：

vout＝k*(vbat-vbus)＝k*idischg*rs

式中，idischg为电池的放电电流；

在预放大器中形成高增益，在监测电池的放电电流时，可监测到较小的波动电流，从而达到保护电池的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明在预放大器中通过隔离mos管将高压变为低压，在主放大器中不需要额外的周边电路处理高压信号，减少了高压器件的使用量，从而减小主放大器的电路复杂度，由于主放大器输入端的误差等效到预放大器的输入端时，将会被预放大器的高增益所衰减，这也极大地减小了主放大器的复杂程度，根据测试结果显示，检测的精度可以达到微伏级别，同时，在主放大器的输出端连接有比较器，在比较器的输出端连接用于指示电池充放电状态的器件，有效地解决了现有采样电路存在架构复杂、面积大，且精度不够高的问题，达到了电路结构简单，检测结果精度高的效果。

(2)本发明在预放大器中使用一对三极管，一对高精度poly电阻，达到了极高的精度，并同时将信号从高压电源变为低压电源，且提供较大的增益，减小了主放大器电路的复杂度。

(3)本发明的共模反馈电路根据主放大器输出的信号控制主放大器的偏置电流，同时，保证mos管m1和m2中只有一个导通，从而使电路正常工作。

附图说明

图1为现有采样电路的电路原理框图。

图2为本发明的电路原理框图。

图3为图2中预放大器的内部电路结构图。

图4为图2中主放大器的内部电路结构图。

图5为图2中共模反馈电路的电路图。

图6为本发明的仿真结果图。

图7为本发明的蒙特卡洛仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

如图2所示，本发明公开的一种高精度的连续时间双向电流采样电路，包括设置在芯片外的电池充放电电路上的采样电阻rs，芯片内的电阻ra1、电阻ra2和电阻rb，设置在芯片上的两个采样端口vbus和vbat和一个电压输出端口vout，还包括预放大器，具有反馈信号输入端口的主放大器，mos管m1，mos管m2，以及具有两个输入端口、一个输出端口和一个反馈信号输出端口的共模反馈电路；

所述电阻ra1的一端与芯片的采样端口vbus连接、另一端分别与预放大器的正相输入端vinp和mos管m2的漏极连接，所述电阻ra2的一端与芯片的采样端口vbat连接、另一端分别与预放大器的反相输入端vinm和mos管m1的漏极连接，所述主放大器的正相输入端vmid_p与预放大器的反相输出端连接，所述主放大器的反相输入端vmid_m与预放大器的正相输出端连接，所述mos管m1的栅极与主放大器的正相输出端vgate_n连接，所述mos管m2的栅极与主放大器的反相输出端vgate_p连接，所述共模反馈电路的两个输入端口与主放大器的两个输出端连接、反馈信号输出端口与主放大器的反馈信号输入端口连接、输出端口与芯片上的电压输出端口vout连接。

进一步的，所述主放大器的输出端上连接有比较器，所述比较器的正相输入端与主放大器的反相输出端vgate_p连接，所述比较器的反相输入端与主放大器的正相输出端vgate_n连接，所述比较器的输出端连接用于指示电池充、放电状态的器件。

如图3所示，所述预放大器的内部电路包括基极相互连接的三极管q1和三极管q2，两端分别连接在三极管q1的基极和发射极的电阻r3，源极连接在三极管q1集电极的mos管m5，源极连接在三极管q2集电极的mos管m6，源极连接在三极管q1基极的mos管m4，栅极相互连接的mos管m1和mos管m2，一端连接在mos管m5漏极、另一端连接在mos管m1漏极的poly电阻r1，一端连接在mos管m6漏极、另一端连接在mos管m1漏极的poly电阻r2，一端连接在mos管m2漏极、另一端接地的电容c1，栅极连接在mos管m2漏极的mos管m3，所述mos管m3的漏极与mos管m4的漏极连接，所述mos管m3的源极接地，所述mos管m4的栅极和漏极连接，所述mos管m4、m5、m6的栅极相互连接，所述mos管m1的栅极和漏极连接，所述mos管m2漏极连接有偏置电流ib；所述三极管q1的发射极作为预放大器的正相输入端，所述三极管q2的发射极作为预放大器的反相输入端，所述mos管m5的漏极作为预放大器的反相输出端，所述mos管m6的漏极作为预放大器的正相输出端。

在该电路中电阻r1和r2采用高精度的poly电阻，能够达到较高的匹配精度，三极管q1和三极管q2提供了很好的匹配精度以及非常高的跨导gm，减小了对正相输入端vinp、反相输入端vinm两输入端口输入的差模信号精度的影响，在预放大器输入的高压经过高压隔离mos管后变成了低电压，且提供了较大的增益，从而减小了主放大器电路的复杂程度；mos管m1的漏极接收连接在预放大器两个输出端上的电阻r1和r2上的电流，并镜像给mos管m2，将该电流与偏置电流ib比较，mos管m3的栅极接收到比较结果之后，控制电阻r3的压降，所述电阻r3的另一端与正相输入端vinp或反相输入端vinm连接，最终控制流过电阻r1和r2两路差模信号的电流恒定。

如图4所示，所述主放大器的内部电路包括栅极相互连接的mos管m7、mos管m8和mos管m11，栅极相互连接的mos管m12、mos管m9和mos管m10，所述mos管m12的源极与mos管m11的漏极连接，集电极连接在mos管m7漏极的三极管q3，集电极连接在mos管m8漏极的三极管q4，一端连接在mos管m12漏极、另一端连接在mos管m12栅极的电阻r4，栅极互相连接的mos管m13和mos管m14，栅极互相连接的mos管m15和mos管m16，所述mos管m13的漏极与mos管m9的漏极连接、源极与mos管m15的漏极连接，所述mos管m14的漏极与mos管m10的漏极连接、源极与mos管m16的漏极连接，所述mos管m15、m16的源极接地，所述mos管m11的栅极与mos管m12的漏极连接，所述mos管m9的源极与mos管m7的漏极连接，所述mos管m10的源极与mos管m8的漏极连接，所述三极管q3和三极管q4的发射极上连接有偏置电流ic，所述mos管m12栅极上连接有偏置电流ia；所述三极管q3的基极作为主放大器的正相输入端，三极管q4的基极作为主放大器的反相输入端，mos管m9的漏极作为主放大器的正相输出端，mos管m10的漏极作为主放大器的反相输出端，mos管m15的栅极作为反馈信号输入端口。

主放大器的电路采用了三极管输出对的全差分共源共栅放大器结构，达到了很高的开环增益和很宽的电压输出范围，加载在主放大器的输入端的噪声和失调电压折算到预放大器的输入端时，由于预放大器有较大的增益，实际在预放大器的输入端的噪声和失调电压很小，因此，在设计电路时对主放大器的噪声和精度要求降低，无需增加额外的电路降低噪声和提高精度，使得电路结构简单。

如图5所示，所述共模反馈电路包括漏极相互连接的mos管m17和mos管m18，阳极连接在mos管m17的漏极的二极管d1，连接在二极管d1阳极的偏置电流id，漏极连接在二极管d1阴极的mos管m19，漏极连接在mos管m19源极的mos管m20，所述mos管m20的栅极与漏极连接，所述mos管m17、m18、m20的源极接地；所述mos管m17的栅极与主放大器的反相输出端vgate_p连接，所述mos管m18的栅极与主放大器的正相输出端vgate_n连接，所述mos管m19的栅极与电压输出端口vout连接，所述mos管m20的栅极作为反馈信号输出端口。

共模反馈电路由一个偏置电流id，一个二极管d1，三个pmos管m17、m18、m19，以及一个nmos管m20组成。共模反馈电路接收主放大器输出的信号，控制主放大器的偏置电流，该电路主要用于保证采样电路的正常工作，在反馈控制的过程中，只要保证二极管d1的电压vd1低于图3中的m1或m2的导通电压vgs，在工作时m1或m2的其中一个导通，从而使电路正常工作。

基于上述电路，本发明还提供了该电路充电、放电时的实现方法：

当电池充电时，实现方法包括如下步骤：

(1)当电池充电时，采样端口vbus测得的电压vbus大于采样端口vbat测得的电压vbat，在共模反馈电路的控制作用下，使得vgate_p>vgate_n，vgate_n<(vout+vgs1)，mos管m1关断，mos管m2导通；

其中，vgs1为mos管m1的导通电压，vgate_p为主放大器反相输出端的电压，vgate_n为主放大器正相输出端的电压，vout为电压输出端口的电压；

(2)在预放大器处于线性状态时，预放大器的正相输入端vinp和反相输入端vinm虚短，使得vinm＝vinp；

其中，vinm为预放大器反相输入端的电压，vinp为预放大器正相输入端的电压；

(3)在mos管m1关断时，流过电阻ra2的电流为零，使得vinm＝vbat，流过电阻ra1的电流为：i1＝(vbus-vbat)/ra1；

(4)此电流流过电阻rb时，在电阻rb上产生的输出电压vout为：

vout＝(vbus-vbat)*rb/ra1

设定预放大器和主放大器的闭环增益乘积k＝rb/ra1，则有：

vout＝k*(vbus-vbat)＝k*ichg*rs

式中，ichg为电池的充电电流；

在预放大器中形成高增益，在监测电池的充电电流时，可监测到较小的波动电流，从而达到保护电池的目的。

当电池放电时，实现方法包括如下步骤：

(1)当电池放电时，采样端口vbus测得的电压vbus小于采样端口vbat测得的电压vbat，在共模反馈电路的控制作用下使得vgate_p<vgate_n，vgate_p<(vout+vgs2)，mos管m1导通，mos管m2关断；

其中，vgs2为mos管m2的导通电压，vgate_p为主放大器反相输出端的电压，vgate_n为主放大器正相输出端的电压，vout为电压输出端口的电压；

(2)在预放大器处于线性状态时，预放大器的正相输入端vinp和反相输入端vinm虚短，使得vinm＝vinp；

其中，vinm为预放大器反相输入端的电压，vinp为预放大器正相输入端的电压；

(3)在mos管m2关断时，流过电阻ra1的电流为零，使得vinp＝vbus，流过电阻ra2的电流为：i2＝(vbat-vbus)/ra2；

(4)此电流流过电阻rb时，在电阻rb上产生的输出电压vout为：

vout＝(vbat-vbus)*rb/ra2

设定ra2＝ra1，预放大器和主放大器的闭环增益乘积k＝rb/ra2，则有：

vout＝k*(vbat-vbus)＝k*idischg*rs

式中，idischg为电池的放电电流；

在预放大器中形成高增益，在监测电池的放电电流时，可监测到较小的波动电流，从而达到保护电池的目的。

如图6所示，该图为本发明的仿真结果图，可知，输出电压vout将随着充电、放电电流的绝对值增加而增加，而当电流方向发生变化时，vgate_p和vgate_n信号将会切换工作状态，与理论结果相同，此时的比较器将可以直接比较vgate_p和vgate_n信号，从而获知电池处于充电或放电状态。

如图7所示，该图为本发明的蒙特卡洛仿真结果图，结果显示此电路的输入失调电压的一个sigma在35uv左右，这表明此电路能够达到100uv量级的检测精度。

本发明在预放大器中使用一对三极管，一对高精度poly电阻，达到了极高的精度，通过隔离mos管将高压变为低压，减小主放大器的电路复杂度，由于主放大器输入端的误差等效到预放大器的输入端时，将会被预放大器的高增益所衰减，在主放大器中无需增加额外的电路降低噪声和提高精度，这极大地减小了主放大器的复杂程度，同时，在主放大器的输出端连接有比较器，在比较器的输出端连接用于指示电池充放电状态的器件，有效地解决了现有采样电路存在架构复杂、面积大，且精度不够高的问题，达到了电路结构简单，检测结果精度高的效果。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。