一种充放电电流双向检测电路的制作方法

1.本发明属于充电控制电路领域，尤其涉及一种充放电电流双向检测电路。


背景技术：

2.随着社会的进步和信息化、自动化程度的不断提高，人们对电力行业的依赖程度进一步加深，也对供电系统的可靠性提出了更高的要求。充电芯片(charge ic)采用半导体器件制成，可以对电池的充放电过程进行控制。而目前对电池实时充放电流大小的检测是充电芯片的一个关键问题之一。
3.首先，需要使用电流采样电路对电池的充放电电流进行检测，以确定实时的充放电电流大小。确定实时的充放电电流大小后，才能针对充放电电流提供相应环路及逻辑调控电路。在对电池的充放电电路进行检测时，考虑到运放的共模输入范围以及检测精度，往往需要将检测电路分为高侧和低侧两部分，分别在电池电压较高和电池电压较低时对电池电流进行检测。然而，为了实现对高低两侧电路进行检测的技术方案，就需要对高低两侧电路进行隔离，因而电路中会引入pmos和nmos场效应管作为开关管以实现隔离，这就导致检测电路工作时的失调问题。
4.其次，在充电芯片中，充电电流和放电电流的方向正好相反。充电时，电流经电流采样电阻，产生的电压为正信号；放电时，电流经电流采样电阻，产生的电压为负。由于无法实现充放电过程中充放电电流的双向检测，目前大多数检测方案为单向电流检测。上述问题，分别会降低检测精度以及增加电路成本。
5.因此，亟需一种能够实现双向充放电检测，同时消除隔离误差的电流检测方法。


技术实现要素：

6.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种检测电池充放电电流的采样电路，消除失调，提高精度，并能够实现双向检测。
7.本发明采用如下的技术方案。一种充放电电流双向检测电路，包括检测隔离电路、钳位运放电路。检测隔离电路，用于接收电池电流的正负输入，电池电压对高电平侧和低电平侧进行隔离；钳位运放电路，用于接收来自检测隔离电路生成的隔离电压，并输出采样电压；充放电电流双向检测电路还包括失调消除电路和双向检测电路，其中，失调消除电路，用于调节输入至检测隔离电路中第一或第二nmos管的源漏极电流，以消除检测隔离电路的失调影响；双向检测电路，用于基于充放电状态控制电路对充放电电流进行检测。
8.优选地，失调消除电路包括漏极连接单元和源极连接单元；并且，漏极连接单元，与检测隔离电路中第一或第二nmos管的漏极连接，用于基于充放电电流抽取检测隔离电路中第一或第二nmos管的电流；源极连接单元，与检测隔离电路中第一或第二nmos管的源极连接，用于基于钳位运放电路生成的采样电压向检测隔离电路中的第一或第二nmos管注入电流。
9.优选地，漏极连接单元包括pmos管mc3，nmos管mc5和nmos管mc6，并且，mc3栅极与
钳位运放电路中的mc1栅极相连接，源极连接电源电压，漏极与mc5的漏极和栅极相连接，mc5的源极接地，栅极与mc6的栅极相连接，mc6的漏极接入检测隔离电路中的第一或第二nmos管的漏极，源极接地。
10.优选地，源极连接单元包括pmos管mc2，mc2栅极与钳位运放电路中的mc1栅极相连接，源极连接电源电压，漏极与检测隔离电路中的第一nmos管的源极相连接。
11.优选地，检测隔离电路包括nmos管ms1、ms2，ms3、ms4，检测电阻r
p
、rn，esd电阻r3和r4，采样电阻r
sr
，并且，检测电阻r
p
一端连接srp以接收电池电流的正输入，另一端与nmos管ms1的漏极连接，ms1的源极与所述ms3的源极连接，管ms3的漏极通过一esd电阻r3后接地；检测电阻rn一端连接srn以接收电池电流的负输入，另一端与ms2的漏极连接，ms2的源极与ms4的源极连接，ms4的漏极通过一esd电阻r3后接地；管ms1、ms2，ms3、ms4的栅极分别接入使能信号en_ls；采样电阻r
sr
一端连接检测电阻r
p
和srp，另一端连接检测电阻rn和srn。
12.优选地，检测隔离电路还包括高电平检测单元；并且，高电平检测单元包括运放op_clamp、调整管mr2和开关管ms5；运放op_clamp的正相与负相输入端分别与检测隔离电路中检测电阻r
p
、rn的另一端，即电路中srps和srns点连接，输出端与调整管mr2的栅极连接；调整管mr2为pmos管，开关管ms5为nmos管；调整管mr2的源极分别经过开关sp、sn与检测电阻r
p
、rn的另一端，即电路中srps和srns点连接，漏极与开关管ms5的漏极连接；开关管ms5的栅极接入使能信号en_ls，源极与模块总输出vo连接。
13.优选地，当检测电路检测到电路srp或srn点处的电压低于输入阈值时，使能信号en_ls的输出为高电平，高电平检测单元与模块总输出vo之间的连接被截断；当检测电路检测到电路srp或srn点处的电压高于输入阈值时，所述使能信号en_ls的输出为低电平，高电平检测单元与模块总输出vo连通。
14.优选地，钳位运放电路clamp的输出端mc1接收来自电流源电路中pmos管mc4的输入电流；第一输入端q1的发射极与mr1的源极向第二nmos管ms2或第四pmos管ms4反馈源漏级电流；第二输入端q2的发射极向第一nmos管ms1或第三pmos管ms3反馈源漏级电流。
15.优选地，双向检测电路包括第一、第二正向开关sp，第一、第二负向开关sn；并且，第一正向开关sp一端与检测隔离电路中srps点相连接，第一负向开关sn一端与检测隔离电路中srns点相连接，另一端均与mr2的源极连接；第二正向开关sp一端与检测隔离电路中srps点相连接，第二负向开关sn一端与检测隔离电路中srns点相连接，另一端均与失调消除电路中的nmos管mc6漏极连接；当检测电路接收到电池电流的输入方向切换时，运放op_clamp的极性调转。
16.优选地，电流源电路，包括开关管mc4，开关管mc7，开关管mc4的源极与电源电压vdd连接，漏极与模块总输出vo连接，源极与钳位运放单元连接。
17.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种充放电电流双向检测电路既可通过电流采样电路对充电芯片的充放电电流进行检测，消除失调，也可以实现双向电流检测，以确定实时的充放电电流大小，从而提高检测精度。
18.本发明的有益效果至少包括：
19.1、在开关管ms1一端注入电流，并在另一端抽出，使ms1和ms2两端压降相等，从而消除隔离干扰；
20.2、通过增加选择开关，实现充放电电流的双向检测。
附图说明
21.图1为本发明一种充放电电流双向检测电路的模块示意图；
22.图2为本发明一种充放电电流双向检测电路中失调消除电路的示意图；
23.图3为本发明一种充放电电流双向检测电路中检测隔离电路的示意图；
24.图4为本发明一种充放电电流双向检测电路中检测隔离电路中高电平检测单元的示意图；
25.图5为本发明一种充放电电流双向检测电路中钳位运放电路的示意图；
26.图6为本发明一种充放电电流双向检测电路中电流源电路的示意图；
27.图7为本发明一种充放电电流双向检测电路中整体电路的示意图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
29.图1为本发明一种充放电电流双向检测电路的模块示意图。如图1所示，一种充放电电流双向检测电路，包括检测隔离电路、钳位运放电路，其特征在于：检测隔离电路，用于接收电池电流的正负输入，同时基于电池电压对高电平侧和低电平侧进行隔离；钳位运放电路，用于接收来自检测隔离电路生成的隔离电压，并输出采样电压；充放电电流双向检测电路还包括失调消除电路和双向检测电路，其中，失调消除电路，用于调节输入至检测隔离电路中第一或第二nmos管的源漏极电流，以消除检测隔离电路的失调影响，双向检测电路，用于基于充放电状态控制该电路对充放电电流进行检测。
30.图2为本发明一种充放电电流双向检测电路中失调消除电路的示意图。如图2所示，优选地，失调消除电路包括漏极连接单元和源极连接单元；并且，漏极连接单元，与检测隔离电路中第一或第二nmos管的漏极连接，用于基于充放电电流抽取检测隔离电路中第一或第二nmos管的电流；源极连接单元，与检测隔离电路中第一或第二nmos管的源极连接，用于基于钳位运放电路生成的采样电压向检测隔离电路中的第一或第二nmos管注入电流。
31.优选地，漏极连接单元包括pmos管mc3，nmos管mc5和nmos管mc6，并且，mc3栅极与钳位运放电路中的mc1栅极相连接，源极连接电源电压，漏极与mc5的漏极和栅极相连接，mc5的源极接地，栅极与mc6的栅极相连接，mc6的漏极接入检测隔离电路中的第一或第二nmos管的漏极，源极接地。
32.另外，源极连接单元包括pmos管mc2，mc2栅极与钳位运放电路中的mc1栅极相连接，源极连接电源电压，漏极与检测隔离电路中的第一nmos管的源极相连接。
33.可以理解的是，当电池电流的正负输入从电路中的srp或srn点处输入时，开关sp和sn会选择开启，钳位运放使得两个晶体管q1和q2的发射级的电位相等。假设，此时电路中的ms1管和ms2管导通，ms3和ms4管截止，电路处于低侧电流的检测状态中。由于源极连接单元中mc2的源漏级电流灌入至了ms1管的源极，从而使得两个晶体管q1和q2的发射级输出至ms1和ms2管的源极的输出电流相等，并进一步地使得ms1与ms2的压降相等，消除了隔离造成的失调。
34.与此同时，漏极连接单元中的mc6与ms1或ms2的漏极连接，由mc2灌入ms1的正反馈电流在ms1的漏端被mc6完全抽出，这使得新增支路不会对环路的稳定性造成影响。
35.图3为本发明一种充放电电流双向检测电路中检测隔离电路的示意图。如图3所示，优选地，检测隔离电路包括mos管ms1、ms2，ms3、ms4，检测电阻r
p
、rn、esd电阻r3和r4，采样电阻r
sr
，并且，检测电阻r
p
一端连接srp以接收电池电流的正输入，另一端与ms1的漏极连接，ms1的源极与所述ms3的源极连接，ms3的漏极通过一esd电阻r3后接地；检测电阻rn一端连接srn以接收电池电流的正输入，另一端与ms2的漏极连接，ms2的源极与ms4的源极连接，ms4的漏极通过一esd电阻r3后接地；ms1、ms2，ms3、ms4的栅极分别接入使能信号en_ls；采样电阻r
sr
一端连接检测电阻r
p
和srp，另一端连接检测电阻rn和srn。其中，esd电阻为静电释放电阻(electro-static discharge resistor)，用于接地。
36.图4为本发明一种充放电电流双向检测电路中检测隔离电路中高电平检测单元的示意图。如图4所示，优选地，检测隔离电路还包括高电平检测单元。并且，高电平检测单元包括运放op_clamp、调整管mr2和开关管ms5；运放op_clamp的正相与负相输入端分别与检测隔离电路中检测电阻r
p
、rn的另一端，即电路中srps和srns点连接，输出端与调整管mr2的栅极连接；调整管mr2为pmos管，开关管ms5为nmos管；调整管mr2的源极分别经过开关sp、sn与检测电阻r
p
、rn的另一端，即电路中srps和srns点连接，漏极与开关管ms5的漏极连接；开关管ms5的栅极接入使能信号en_ls，源极与模块总输出vo连接。
37.优选地，当检测电路检测到电路srp或srn点处的电压低于输入阈值时，使能信号en_ls的输出为高电平，高电平检测单元与模块总输出vo之间的连接被截断；当检测电路检测到电路srp或srn点处的电压高于输入阈值时，使能信号en_ls的输出为低电平，高电平检测单元与模块总输出vo连通。
38.具体来说，检测电路是根据电路输入端的srp或srn点处的电压大小来确定工作与高电平检测状态还是低电平检测状态的。通常，可以设定一个输入阈值，当srp、srn电压较低并小于该输入阈值时，来自外部的使能信号en_ls会给定一个高电平。由于该使能信号en_ls分别与第一至第四mos管ms1至ms4的栅极连接，同时经过转换器与开关管ms5的栅极连接。因此，当使能信号en_ls的输入为高电平时，pmos管ms3和ms4，以及nmos管ms5截止，nmos管ms1和ms2导通。由此可知，此时的检测隔离电路，即图3中的上半部分导通，并于钳位运放单元连接。图3中的下半部分截止。另外，检测隔离电路中的高电平检测单元由于开关管ms5的截止而截止，无法与模块总输出vo之间连通并影响测量结果。
39.另一方面，当输入的srp、srn电压较高并大于该输入阈值时，来自外部的使能信号en_ls会给定一个低电平。此时，pmos管ms3和ms4，以及nmos管ms5导通，nmos管ms1和ms2截止。由于nmos管ms5的导通，高电平检测单元与模块总输出vo连通。由于ms1和ms2截止，采样电阻r
sr
与pmos管ms3和ms4以及钳位运放电路被隔离开来。钳位运放接收到高电平检测单元的反馈，并将反馈电流从晶体管q1和q2输出至ms3和ms4中。
40.图5为本发明一种充放电电流双向检测电路中钳位运放电路的示意图。如图5所示，优选地，钳位运放电路clamp的输出端mc1接收来自电流源电路中pmos管mc4的输入电流；第一输入端q1的发射极与mr1的源极向第二nmos管ms2或第四pmos管ms4反馈源漏级电流；第二输入端q2的发射极向第一nmos管ms1或第三pmos管ms3反馈源漏级电流。
41.优选地，该检测电路中还包括双向检测电路。该双向检测电路包括第一、第二正向开关sp，第一、第二负向开关sn；并且，第一正向开关sp一端与检测隔离电路中srps点相连接，第一负向开关sn一端与检测隔离电路中srns点相连接，另一端均与mr2的源极连接；第
二正向开关sp一端与检测隔离电路中srps点相连接，第二负向开关sn一端与检测隔离电路中srns点相连接，另一端均与失调消除电路中的nmos管mc6漏极连接；当检测电路接收到电池电流的输入方向切换时，运放op_clamp的极性调转。图6为本发明一种充放电电流双向检测电路中电流源电路的示意图。如图6所示，电流源电路，包括开关管mc4，开关管mc7，所述开关管mc4的源极与电源电压vdd连接，漏极与模块总输出vo连接，源极与钳位运放单元连接。本发明一实施例中，部分pmos管与nmos管可以设置为双管串联。例如，mc2、mc3、mc4、mc5、mc6。
42.图7为本发明一种充放电电流双向检测电路中整体电路的示意图。如图7所示，具体来说，当电路工作于低侧电流检测状态时，可以同时电池电流的正负输入进行检测。假设此时的输入为正输入电流i
srp
，开关sn关断，sp开启，由mc2灌入ms1的正反馈电流在ms1的漏端被mc6完全抽出。由于ms1与ms2的压降相同，故srps与srns的电位相同。因此，根据电压相等建立公式srp+r
piq2
＝srn+rn(i
q1
+i
mr1
)。
43.其中，取rn与r
p
阻值相等，记为r
n.p
，取q1与q2偏置电流相等，则有srp-srn＝r
n.pimr1
。同时根据电路的连接关系可知，电阻r
sr
的两端分别连接srp和srn，则有r
n.pimr1
＝r
srisrp
。并且，由于mr1与mc1串联在一条支路上，且mc1与mc4镜像连接，因此有i
mr1
＝i
mc1
＝i
mc4
＝io，其中io为输出端电流，可得即因此，输出电压的采样结果为
44.由上式可见，该方案消除了nmos管ms1与ms2导通电阻对采样结果带来的误差。同时，通过调整mc1与mc3的镜像比例k(k《1)，可在一定程度上降低失调消除电路带来的额外功耗。
45.当输入为负输入电流i
srn
时，开关sp关断，sn开启。mc6从抽取ms1电流变为抽取ms2电流。
46.当输入端srp和srn较高时，高电平检测单元被导通，由于op_clamp钳位srps与srns相等且r
p
＝rn，故输出电压的采样结果也为
47.当检测输入电流的正负方向发生变化时，开关状态变化，同时运放op_clamp极性调转。
48.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种充放电电流双向检测电路既可通过电流采样电路对充电芯片的充放电电流进行检测，消除失调，也可以实现双向电流检测，以确定实时的充放电电流大小，从而提高检测精度。
49.本发明的有益效果至少包括：
50.1、在开关管ms1一端注入电流，并在另一端抽出，使ms1和ms2两端
51.压降相等，从而消除隔离干扰；
52.2、通过增加选择开关，实现充放电电流的双向检测。
53.本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发
明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。