电压源堆栈系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电压源堆栈系统，包括多个电压源、一主监控电路以及至少一副监控电路。所述多个电压源包括一第一电压源以及至少一第二电压源，其中所述第一电压源与所述至少一第二电压源彼此串联。所述主监控电路耦接于所述第一电压源，并且用来监测并且控制所述第一电压源以及传送一监控信号。所述至少一副监控电路分别耦接于所述至少一第二电压源与所述主监控电路，并且用来根据所述监控信号来监测并且控制所述至少一第二电压源中的一目标第二电压源，并据以传送一回复信号至所述主监控电路。所述电压源堆栈系统可以分别管理多个串联堆栈的电压源，进而达到提高所述电压源堆栈系统整体使用效能并且延长所述电压源堆栈系统的使用寿命的功效。
【专利说明】电压源堆栈系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电压源堆栈系统的监控机制，尤其涉及一种使用多个监控电路来管理多个串联堆栈的电压源的电压源堆栈系统。
【背景技术】
[0002]随着电子装置的微型化，手机、个人随身助理器(personal digitalassistant，PDA)、数字相机、随身影音播放装置和笔记型/平板计算机等可携式电子装置越来越普及。为了实现可移植性，这些可携式电子装置大多数时间需以蓄电池等储电组件来供应电力。当蓄电池电量耗尽时，使用者可通过专用充电器或直接将可携式电子装置连接至家用交流电源来进行充电。由于单一蓄电池的电压与容量有限，因此在很多场合下便需要多个蓄电池组成一个电压堆栈装置(例如，一电池组)来使用。
[0003]以电池组为例，电池组在使用时会经历充放电的过程，直到使用寿命用完为止。电池组中的蓄电池的使用寿命多半由蓄电池本身的物理特性和充电方式所决定。一般来说，充电电压/电流越大，所需充电时间越短，但也会缩短蓄电池的使用寿命，因此，过度放电或过度充电虽能增加蓄电池可使用容量，但也会缩短蓄电池的使用寿命。然而，由于制程的误差，电池组内每一蓄电池的物理特性与老化速度并不完全一致，例如，容量较大的蓄电池容易处于浅充电/浅放电状态，而容量较小的蓄电池容易处于过度充电/过度放电的状态，而长时间处于不同程度的充电/放电状态会使得每一个蓄电池之间的性能参数差异越来越大。换言之，当容量较小的蓄电池提前失效时，即使其它容量较大的蓄电池还能正常运作，电池组的整体效能还是会快速地降低，大幅缩短电池组的使用寿命。因此，有需要对个别蓄电池进行监控以避免过度充电/过度放电或者电池故障造成危害。
[0004]然而，对于电压堆栈装置而言，由于所堆栈出来的跨压太高，因此需要对电压堆栈装置的监控电路进行特殊的设计才能承受如此高的跨压。电压源系统的监控电路通常以集成电路芯片来实施，然而单一集成电路芯片有其承受电压的极限规格。当使用在多串数高跨压的电压堆栈装置时，可以使用多个集成电路芯片，让每个芯片监控几个串联的电压源。如此可以降低每个芯片所需承受的电压。然而这样的架构每个芯片接地电压准位都不同，当有需要彼此通信汇集监控数据时，通信线路的连接往往需要以昂贵的光耦合组件或者复杂的电压准位调整电路来实现。
[0005]因此，有需要提供一种简易的通信电路与机制来汇集电压堆栈装置的监控数据，方便智能管理，以提高电压堆栈装置整体使用效能并且延长电压堆栈装置的使用寿命。
【发明内容】
[0006]鉴于此，本发明提出一种可以分别管理多个串联堆栈的电压源的电压源堆栈系统，以解决上述的问题。
[0007]本发明的一实施例公开一种电压源堆栈系统，包括多个电压源、一主监控电路以及至少一副监控电路。所述多个电压源包括一第一电压源以及至少一第二电压源，其中所述第一电压源与所述至少一第二电压源彼此串联。所述主监控电路耦接于所述第一电压源，并且用来监测并且控制所述第一电压源以及传送一监控信号。所述至少一副监控电路分别耦接于所述至少一第二电压源与所述主监控电路，并且用来根据所述监控信号来监测并且控制所述至少一第二电压源中的一目标第二电压源，并据以传送一回复信号至所述主监控电路。
[0008]本发明所提出的电压源堆栈系统可以分别管理多个串联堆栈的电压源，进而达到提高电压堆栈装置整体使用效能并且延长电压堆栈装置的使用寿命的功效。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本发明电压源堆栈系统的一实施例的方块示意图。
[0010]图2A为本发明主监控电路耦接于副监控电路的电路架构的一第一实施例的示意图。
[0011]图2B为本发明主监控电路耦接于副监控电路的电路架构的一第二实施例的示意图。
[0012]图3A为本发明的监控信号格式的一实施例的示意图。
[0013]图3B为本发明的回复信号格式的一实施例的示意图。
[0014]图3C为本发明信号设计的一实施例的示意图。
[0015]图4为本发明主监控电路轮询操作的一实施例的流程图。
[0016]图5为本发明副监控电路操作的一实施例的流程图。
[0017]其中，附图标记说明如下:
[0018]100电压源堆栈系统
[0019]110_1 ?110_N 电压源
[0020]120主监控电路
[0021]130_1?130_M 副监控电路
[0022]140通信总线
[0023]122主输出逻辑电路
[0024]124主输入逻辑电路
[0025]132_1?132_M副输出逻辑电路
[0026]134_1?134_M副输入逻辑电路
[0027]400 ?450，500 ?550 步骤
[0028]Cl?CM电容性电路组件
[0029]COl?COM第一电容性电路组件
[0030]CIl?CM第二电容性电路组件
[0031]ID识别码部分
[0032]CMD 命令部分
[0033]CRC错误校验码部分
[0034]DAT数据部分
[0035]DAT_0第一数据信号
[0036]DAT_1第二数据信号
[0037]INT起始信号
[0038]Tl第一高准位时段
[0039]T2第一低准位时段
[0040]T3第二高准位时段
[0041]T4第二低准位时段
[0042]T5第三高准位时段
[0043]T6第三低准位时段
[0044]S_CTRL监控信号
【具体实施方式】
[0045]在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中具有通常知识者应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来做为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来做为区分的准则。在通篇说明书及后续的请求项当中所提及的「包括」是一开放式的用语，故应解释成「包括但不限定于」。另外，「耦接」一词在此是包括任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电气连接于所述第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至所述第二装置。
[0046]本发明的主要概念在于使用多个电压源监控电路来分别管理一电压堆栈装置中的每一个电压源，进而达到提高电压堆栈装置整体使用效能并且延长电压堆栈装置的使用寿命的功效。
[0047]请参考图1，图1为本发明电压源堆栈系统100的一实施例的方块示意图。电压源堆栈系统100包括多个电压源110_1?110_N、一主监控电路120、多个副监控电路130_1?130_M以及一通信总线140。在本实施例中，电压源110_1?110_N中的每一电压源都可以为电池，用来提供一个V伏特的电压，并且电压源110_1?110_N彼此串联形成一电压堆栈装置，以用来提供一个NXV伏特的跨压。在本实施例中，主监控电路120耦接于电压源110_1，用来监测并且控制电压源110_1，而副监控电路130_1?130_M则分别耦接于电压源110_2?110_N，用来分别监测并且控制电压源110_2?110_N。此外，通信总线140耦接于主监控电路120以及副监控电路130_1?130_M之间，用来传递主监控电路120以及副监控电路130_1?130_M之间信号的通信。换言之，主监控电路120可通过通信总线140来传送一监控信号S_CTRL至副监控电路130_1?130_M，以控制副监控电路130_1?130_M对电压源110_2?110_N分别进行监测或控制，此外，副监控电路130_1?130_M会再根据监控信号S_CTRL的指示将一回复信号S_RES通过通信总线140回传至主监控电路120。举例来说，主监控电路120可传送监控信号S_CTRL至副监控电路130_5，以指示副监控电路130_5对电压源110_6进行电压的检测，副监控电路130_5于收到监控信号S_CTRL之后，便会开始侦测电压源110_6的电压，并且将所侦测到的电压通过回复信号S_RES回传至主监控电路120。请注意，为了方便说明起见，在本实施例中，是采用一监控电路来监测并且控制单一电压源的架构，然而，此仅作为范例说明之用，并非作为本发明的限制条件，在一设计变化中，一监控电路也可以用来监测并且控制多个电压源。此外，电压源的个数N以及副监控电路的个数M可根据实际上的需求来加以调整。
[0048]在本实施例中，由于主监控电路120与副监控电路130_1?130_M是分别耦接于电压源110_1?110_N*不同的电压源，并且电压源110_1?11(^是彼此串联，所以主监控电路120与副监控电路130_1?130_M皆具有不同的接地电压准位，如此一来，主监控电路120与副监控电路130_1?130_M在进行信号的传递时会因为接地电压准位的不同而对信号的大小发生误判。举例来说，主监控电路120的最高电源电压准位为副监控电路130_1的接地电压准位，而副监控电路130_1的最高电源电压准位为副监控电路130_2的接地电压准位，以此类推。因此，主监控电路120在通过通信总线140耦接于副监控电路130_1?130_M时会需要额外串联一电容性电路组件(例如，一电容)来将不同接地准位滤除，也就是说，通过所述额外串联一电容性电路组件(例如，一电容)，信号在主监控电路120与副监控电路130_1?130_M之间彼此传递的时候，仅有变化量的部分可以通过，因此可以避免接收到信号的监控电路因为接地电压准位的不同而对信号的大小发生误判。请参考图2A，图2A为本发明主监控电路120耦接于副监控电路130_1?130_M的电路架构的一第一实施例的示意图。在图2A中，主监控电路120包括一主输出逻辑电路122以及一主输入逻辑电路124，并且副监控电路130_1?130_11包括一副输出逻辑电路132_1?132_M以及一副输入逻辑电路134_1?134_M(分别对应至每一副监控电路)。在本实施例中，由于主监控电路120与副监控电路130_1?130_M皆可选择性地开启/关闭输入逻辑电路或是输出逻辑电路。当开启输出逻辑电路时，可关闭本身输入逻辑电路，以避免接收本身输出信号。因此，主监控电路120可以直接通过电容性电路组件Cl?CM (例如，电容)分别耦接于副监控电路130_1?130_M。请继续参考图2B，图2B为本发明主监控电路120耦接于副监控电路130_1?130_M的电路架构的一第二实施例的示意图。图2B中的电路与图2A中的电路大致相同，而主要的不同的处在于，在图2B的电路中，由于主监控电路120与副监控电路130_1?130_M无法选择性地开启/关闭输入逻辑电路或是输出逻辑电路，因此，副输出逻辑电路132_1?132_M与副输入逻辑电路134_1?134_M需要通过不同的电容性组件分别耦接至主输入逻辑电路124以及主输出逻辑电路122，也就是说，主输入逻辑电路124是通过多个第一电容性电路组件COl?COM (例如，电容)分别耦接于副输出逻辑电路132_1?132_M，并且主输出逻辑电路122是通过多个第二电容性电路组件CIl?CM (例如，电容)分别耦接于副输入逻辑电路134_1?134_M。
[0049]请参考图3A，其为本发明的监控信号S_CTRL的格式的一实施例的示意图。在图3A中，监控信号S_CTRL具有一识别码部分ID、一命令部分CMD以及一错误校验码部分CRC。识别码部分ID是用来指示何者为欲接收监控信号S_CTRL的副监控电路(亦即若监控信号S_CTRL欲传送给一指定的副监控电路，则识别码部分ID会具有所述指定的副监控电路的识别码)；命令部分CMD是用来指示接收到监控信号S_CTRL的副监控电路对其所耦接的电压源欲进行的操作(例如，量测电压或是开启电池平衡等操作);错误校验码部分CRC是一循环冗余校验(cyclic redundancy check,CRC)码,用来让接收到监控信号S_CTRL的副监控电路可以对所接收到的监控信号S_CTRL的准确性进行检查。区别识别码部分ID、命令部分CMD以及错误校验码部分CRC的方式则可以使用位的个数来进行判断，举例来说，监控信号
S.CTRL中自起始处至第三个位为止可定义为识别码部分ID，错误校验码部分CRC则定义为监控信号S_CTRL中的最后一个位，而监控信号S_CTRL中除去识别码部分ID与错误校验码部分CRC后剩下的位则可定义为命令部分CMD。然而，此仅作为范例说明的用，并非作为本发明的一限制条件。
[0050]请继续参考图3B，其为本发明的回复信号S_RES的格式的一实施例的示意图。在图3B中，回复信号S_RES具有一数据部分DAT以及一错误校验码部分CRC。数据部分DAT是用来指示接收到监控信号S_CTRL的副监控电路所需回传的数据，例如，量测到的电压源的电压值或是完成开启电池平衡操作后所回复的确认信息(acknowledgement，ACK)或未确认信息(non-acknowledgement, NACK)等；错误校验码部分CRC是一循环冗余校验码,用来让主监控电路120可以对所接收到的回复信号S_RES的准确性进行检查。区别数据部分DAT以及错误校验码部分CRC的方式则可以使用位的个数来进行判断，举例来说，错误校验码部分CRC可以定义为回复信号S_RES中的最后一个位，而回复信号S_RES中其它的位则可定义为数据部分DAT。然而，此仅作为范例说明的用，并非作为本发明的一限制条件。
[0051]请继续参考图3C，其为本发明信号设计的一实施例的示意图。在图3C中，位“O”可以用一第一数据信号DAT_0来表达，第一数据信号DAT_0包括一第一高准位时段Tl以及一第一低准位时段T2 ;位“1”则可以用一第二数据信号DAT_1来表达，第二数据信号DAT_1包括一第二高准位时段T3以及一第二低准位时段T4。如图3C所示，当第一高准位时段Tl、第一低准位时段T2、第二高准位时段T3以及第二低准位时段T4分别具有不同的长度时，第一数据信号DAT_0与第二数据信号DAT_1便可以被接收端清楚地分辨出来，因此可以用来实施监控信号S_CTRL与回复信号S_RES的编码。
[0052]另外，为了避免在通信总线140上发生不想要的信号碰撞，主监控电路120可采用一轮询(polling)的方式来决定传送监控信号S_CTRL的时序，也就是说，起初所有监控电路皆在接收状态，当主监控电路120需要与某一副监控电路通信时，主监控电路120会先传送一起始信号INT告知所有的副监控电路130_1?130_M接下来会有监控信号S_CTRL的传送，接着主监控电路120继续将监控信号S_CTRL发送给所有的副监控电路130_1?130_Mo请注意,在本实施例中，为了加强起始信号INT可辨认性，起始信号INT并非由第一数据信号DAT_0及/或第二数据信号DAT_1所组成，如图3C所示，起始信号INT包括一第三高准位时段T5以及一第三低准位时段T6，并且第一高准位时段Tl、第一低准位时段T2、第二高准位时段T3、第二低准位时段T4、第三高准位时段T5以及第三低准位时段T6分别具有不同的长度。
[0053]主监控电路120的操作可以简化为一流程图，请参考图4，其为本发明主监控电路120轮询操作的一实施例的流程图。请注意，假若可获得相同的结果，则这些步骤并不一定要遵照图4所示的执行次序来执行。主监控电路120的操作可简单归纳如下:
[0054]步骤400:开始；
[0055]步骤410:是否有监控信号需要传送，如果有执行步骤420，否则重复执行步骤410 ；
[0056]步骤420:传送起始信号；
[0057]步骤430:传送监控信号；
[0058]步骤440:侦测是否有回复信号，如果有执行步骤450，否则执行步骤440 ；
[0059]步骤450:接收回复信号，执行步骤410。
[0060]图4中的信号传送流程是主监控电路120的运作方式，而图4所示的各步骤通过搭配参考图1所示的各组件即可了解其相关运作，详细说明及变化可参考前述，为简洁起见，于此便不再赘述。
[0061]另一方面，对于副监控电路130_1?130_M来说，副监控电路130_1?130_M则是一开始就在通信总线140上监听是否有来自主监控电路120的起始信号INT，当收到来自主监控电路120的起始信号INT时，接下来所有的副监控电路130_1?130_M会把通信总线140上的监控信号S_CTRL接收下来，并且检查其中的识别码部分ID是否属于自己的识别码，如果属于自己的识别码的话便会根据命令部分CMD所指示的内容进行操作，并且据以回复一回复信号S_RES给主监控电路120，以回报命令部分CMD所要求的数据或是回报命令部分CMD所指示的动作是否顺利完成。如果副监控电路130_1?130_M所接收到的监控信号S_CTRL中的识别码部分ID不是属于自己的识别码的话，则会继续监听通信总线140上是否有来自主监控电路120的起始信号INT。副监控电路130_1?130_M的操作可以简化为一流程图，请参考图5，其为本发明副监控电路130_1?130_11操作的一实施例的流程图。请注意，假若可获得相同的结果，则这些步骤并不一定要遵照图5所示的执行次序来执行。副监控电路130_1?130_M中每一副监控电路的操作可简单归纳如下:
[0062]步骤500:开始；
[0063]步骤510:是否有起始信号，如果有执行步骤520，否则重复执行步骤510 ；
[0064]步骤520:接收监控信号；
[0065]步骤530:检查监控信号中的识别码部分是否属于自己，如果是执行步骤540，否则执行步骤510 ；
[0066]步骤540:执行监控信号中的命令部分；
[0067]步骤550:传送回复信号，执行步骤510。
[0068]图5中的信号传送流程是副监控电路130_1?130_M的运作方式，而图5所示的各步骤通过搭配图1所示的各组件即可了解其相关运作，详细说明及变化可参考前述，为简洁起见，于此便不再赘述。
[0069]综上所述，本发明电压源堆栈系统可以分别管理多个串联堆栈的电压源，进而达到提高电压堆栈装置整体使用效能并且延长电压堆栈装置的使用寿命的功效。
[0070]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种电压源堆栈系统,其特征在于,包括: 多个电压源，包括: 一第一电压源；以及 至少一第二电压源，其中所述第一电压源与所述至少一第二电压源彼此串联； 一主监控电路，耦接于所述第一电压源，用来监测并且控制所述第一电压源以及传送一监控信号；以及 至少一副监控电路，分别耦接于所述至少一第二电压源与所述主监控电路，用来根据所述监控信号来监测并且控制所述至少一第二电压源中的一目标第二电压源，并据以传送一回复信号至所述主监控电路。
2.如权利要求1所述的电压源堆栈系统，其特征在于，所述至少一副监控电路是通过至少一电容性组件来耦接至所述主监控电路。
3.如权利要求2所述的电压源堆栈系统，其特征在于，所述主监控电路包括一主输出逻辑电路以及一主输入逻辑电路；所述至少一副监控电路中的每一副监控电路皆包括一副输出逻辑电路以及一副输入逻辑电路；并且所述至少一副监控电路中的每一副监控电路的所述副输出逻辑电路是通过一第一电容性组件耦接至所述主输入逻辑电路以及所述至少一副监控电路中的每一副监控电路的所述副输入逻辑电路是通过一第二电容性组件耦接至所述主输出逻辑电路。
4.如权利要求1所述的电压源堆栈系统，其特征在于，还包括: 一通信总线，耦接于所述主监控电路以及所述至少一副监控电路，用来将所述监控信号自所述主监控电路传送至所述至少一副监控电路以及将所述回复信号自所述至少一副监控电路传送至所述主监控电路。
5.如权利要求1所述的电压源堆栈系统，其特征在于，所述主监控电路通过传送一起始信号来轮询所述至少一副监控电路，以决定传送所述监控信号的时序。
6.如权利要求5所述的电压源堆栈系统，其特征在于，所述起始信号包括一第一高准位时段以及一第一低准位时段；所述数据信号包括一第一数据信号以及一第二数据信号；所述第一数据信号包括一第二高准位时段以及一第二低准位时段；所述第二数据信号包括一第三高准位时段以及一第三低准位时段；并且所述第一高准位时段、所述第一低准位时段、所述第二高准位时段、所述第二低准位时段、所述第三高准位时段以及所述第三低准位时段分别具有不同的长度。
7.如权利要求1所述的电压源堆栈系统，其特征在于，所述监控信号具有一识别码部分、一命令部分以及一错误校验码部分。
8.如权利要求7所述的电压源堆栈系统，其特征在于，所述识别码部分是用来指示所述目标第二电压源所对应的一目标副监控电路；所述命令部分是用来指示所述目标副监控电路对所述目标第二电压源进行一操作；以及所述错误校验码部分是一循环冗余校验码。
9.如权利要求1所述的电压源堆栈系统，其特征在于，所述回复信号具有一数据部分以及一错误校验码部分。
10.如权利要求9所述的电压源堆栈系统，其特征在于，所述数据部分是用来指示所述目标第二电压源所对应的一目标副监控电路所回传的数据；以及所述错误校验码部分是一循环冗余校验码。
【文档编号】G06F1/26GK104238711SQ201310468702
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年10月9日 优先权日:2013年6月13日
【发明者】陈俊铭, 夏长福, 杨胜安, 何元棨 申请人:智旺科技股份有限公司