一种高精度电流检测单元及芯片模组的制作方法

本发明属于半导体，尤其涉及一种高精度电流检测单元及芯片模组。

背景技术：

1、对于锂离子电池，其理想的工作范围受限很大并不宽泛，过压(过充)、过流和过温状态下会给锂离子电池带来一系列的安全隐患。因此，锂离子电池在应用过程中必须进行管理，尤其在动力电池的应用场景下。为了能更好更安全的发挥电池特性，一般需要通过精确量测电池的电压，电流以及温度等参数，通过一系列复杂算法来计算和预估电池的状态，这就对采样的精度提出了很高的要求。现有技术中电压和温度采样通过高精度的adc已经可以得到和好的效果，但对于电流采样，现有技术中的一种方案是读取采样电阻两端电压来反映电流(i＝vs/rs)。由于采样电阻是串联在电流通路中，那么为了减小采样电阻引起的损耗，采样电阻通常不能选的太大，这就导致了小电流时采样信号很小，如图1b所示，导致采样误差很大。另外采样电阻阻值会随温度变化，导致在不同温度的采样误差。电量计是通过对电流进行积分来计算，假设长期有小电流通过采集不到或者采样不准的话，电量就会严重不准。

2、为了解决以上问题现有技术的另一种方案是镜像电流源的电流采样方法。如图1a所示，保护开关s1和s2集成在一个芯片上，并在s1或s2上集成电流采样开关s21和信号处理单元。采样开关s21面积ms远小于s2的面积，例如s2的面积mp为采样开关s21面积ms的q倍，q为采样比例参数，例如q＝5000，那么对应的采样开关的导通电阻rs为s2导通电阻rp的5000倍，那么电流采样信号is为保护开关电流信号ip的1/5000，如下式所示：

3、q＝rs/rp；

4、ip＝q·is。

5、因为电流采样开关和保护开关集成在同一芯片内，且采用相同工艺，所以电流采样开关s21和保护开关s2性能一致，采样信号不受温度等因素的影响。因为保护开关s2是电池保护电路中必须存在的器件，通过这种集成电流采样开关的镜像电流源方式采样电流，也不会带来额外的采样损耗。

6、镜像电流源的电流采样方法的信号噪声主要来自于信号处理单元当中运算器输入端的残余压差，而采样比例参数q在制作芯片时需考虑器件耐压性能使得其设置范围受限制，因此对于较小的保护开关电流信号ip，电流采样信号is也相应较小而信噪比较低。

7、因此，如何在节约成本的同时提高采样精度、提高信噪比是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种高精度电流检测单元，在节约成本的同时，大幅减小了采样损耗，最大化提高了采样精度和信噪比。

2、为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种高精度电流检测单元，所述高精度电流检测单元用于在设置保护开关的电流回路中进行电流检测，包括至少两个相互并联的保护开关、电流采样开关和信号处理单元；

3、所述电流采样开关的第一端与保护开关的第一端电连接；所述信号处理单元的第一输入端与电流采样开关的第二端电连接，所述保护开关的第二端与信号处理单元的第二输入端电连接；所述信号处理单元用于处理电流采样信号is以及调节电流采样开关和/或保护开关的开关状态；

4、所述高精度电流检测单元对第一电流回路参数进行采样，所述第一电流回路参数用于表示电流回路的负荷高低状态；

5、所述电流采样信号is用于根据公式(1.2)计算电流信号ip：

6、ip＝q·is(1.2)；

7、式中q为采样比例参数，所述采样比例参数q为导通的采样开关的总等效电阻与导通的保护开关的总等效电阻的比值。

8、优选地，所述信号处理单元通过调节电流采样开关和/或保护开关的开关状态使采样比例参数随所述电流回路负荷的升高而阶梯式下降。

9、优选地，所述电流采样开关使用镜像电流源法获取电流采样信号。

10、优选地，所述高精度电流检测单元预设有采样比例参数调节阈值，所述高精度电流检测单元运行时判断所述第一电流回路参数与采样比例参数调节阈值的大小关系，根据判断结果调节电流采样开关和/或保护开关的开关状态。

11、优选地，所述保护开关、电流采样开关和信号处理单元集成在同一采样芯片内。

12、优选地，还包括第一保护开关，所述第一保护开关与所述保护开关串联在所述电流回路中。

13、优选地，所述第一保护开关、保护开关、电流采样开关和信号处理单元集成在同一采样芯片内。

14、本发明另一方面公开了一种高精度电流检测的芯片模组，包括上述公开方案的高精度电流检测单元和计量单元，所述计量单元用于接收由电流采样信号is转化得到的电压采样信号vs，并且根据采样比例参数q将电压采样信号vs转换为保护开关电流信号ip的计量值；

15、所述信号处理单元包括运算器、第一电流回路参数传输端口和控制器；

16、所述运算器用于维持电流采样开关和对应的保护开关两端的压差相同；

17、所述第一电流回路参数传输端口用于接收或者输出第一电流回路参数；

18、所述控制器用于调节电流采样开关和/或保护开关的开闭；

19、所述控制器分别与运算器、第一电流回路参数传输端口电连接；

20、所述计量单元与控制器电连接。

21、优选地，所述计量单元与第一电流回路参数传输端口电连接，所述第一电流回路参数传输端口向计量单元输出第一电流回路参数；

22、所述计量单元根据第一电流回路参数获得对应的采样比例参数q，并且将采样电压信号vs转换为保护开关电流信号ip的计量值。

23、优选地，所述信号处理单元还包括辅助开关单元，所述辅助开关单元用于根据第一电流回路参数调节解耦电阻值，使所述解耦电阻值与第一电流回路参数所对应的采样比例参数q的乘积为恒定值；

24、所述控制器与辅助开关单元电连接；

25、所述辅助开关单元与计量单元电连接；

26、所述计量单元接收由电流采样信号is与解耦电阻值相乘转化得的电压采样信号vs。

27、优选地，所述电流回路为电池充电电流回路；所述第一电流回路参数传输端口与电池电连接，所述第一电流回路参数传输端口用于接收电池电压差作为第一电流回路参数。

28、优选地，包括与保护开关数目n设置对应数目的辅助开关单元和(n-1)个从小到大的第一阈值至第(n-1)阈值；根据所述第一电流回路参数和(n-1)个阈值，来决定保护开关和辅助开关单元的开通数量；若第一电流回路参数低于第一阈值，开通第1个保护开关以及全部辅助开关单元；若第一电流回路参数高于第(n-1)阈值，开通全部保护开关以及第1个辅助开关单元。

29、优选地，所述芯片模组还包括主板，所述采样芯片和计量单元设置在主板上表面，所述主板下表面设置有功率电极，所述主板与采样芯片、计量单元、功率电极电连接。

30、优选地，所述芯片模组还包括主板，所述采样芯片和计量单元内埋设置在主板内，所述主板下表面设置有功率电极，所述主板与采样芯片、计量单元、功率电极电连接。

31、优选地，所述芯片模组还包括主板，所述采样芯片内埋设置在主板内，所述主板下表面设置有功率电极，所述计量单元设置在主板上表面，所述主板与采样芯片、计量单元、功率电极电连接。

32、优选地，所述芯片模组还包括至少一个第一保护开关，所述第一保护开关与所述保护开关串联在所述电流回路中；所述第一电流回路参数传输端口与第一保护开关的两端电连接，所述第一电流回路参数传输端口用于接收第一保护开关两端的电压差作为第一电流回路参数。

33、本发明具有如下有益效果：

34、(1)因为高精度电流检测单元的电流采样开关和保护开关集成在同一芯片内，且采用相同工艺，所以电流采样开关和保护开关性能一致，采样信号不受温度等因素的影响。因为保护开关是电池保护电路中必须存在的器件，通过这种集成电流采样开关的镜像电流源方式采样电流，也不会带来额外的采样损耗。

35、(2)本发明的高精度电流检测单元采用的高精度电流检测方法，信噪比得到进一步提升，对运放的需求也会有所降低，同时也提升了采样精度。在大电流工况下也可以在满足采样精度的情况下降低导通损耗，又可以降低系统成本。

36、(3)分布式电流采样方案采样增益在不同电流等级是不同的，电流采样增益随着电流变化呈现阶跃式变化，本发明在小电流时期采样电流的精度明显得到提升。