无源连接电路和电压测量电路的制作方法

本发明涉及用于模数转换器(adc)的无源连接电路、包括该无源连接电路的电压测量电路和包括该电压测量电路的电池系统。

背景技术：

在大多数类型的电子装置中频繁地进行电压测量，以提供所述装置的可靠和安全的操作。示例性地，集成在装置中的控制电路可以测量关键结构和/或装置接口处的电压例如用于过电压保护。为了比较、保存或以其他方式处理所获得的电压值，可以通过模数转换器adc将所获得的电压值转换成数字比特流。

存在用于提供模数转换的各种电路，其中，可以利用不同种类的电路来提供不同水平的分辨率、速度、噪声或功耗。示例性地，逐次逼近寄存器模数转换器saradc产生连续模拟波形的数字离散时间表示。

在决定将哪种adc用于特定应用时，必须考虑由不同类型的adc支持的模拟输入信号类型。大多数adc电路设计可实现的通用信号输入类型包括单端模拟输入型、伪差分输入型和全差分输入型。

虽然单端输入型adc通常仅包含单个电压输入引脚，但差分输入型adc的特征在于两个电压输入引脚。单端输入型adc测量相对于adc共同接地的应用模拟信号，而差分输入型adc将通过两个电压输入引脚施加的差分模拟输入信号数字化。因此，共模电压分量在差分输入型adc中被抑制，但在单端输入型adc中没有或更少。

单端输入型adc和各种差分输入型adc只能在adc的参考接地之上的一定电位区间内转换模拟信号。然而，在许多系统中，例如，在电池系统的充电或放电过程中，电流的方向可能会发生变化。因此，在这种系统中，频繁地需要负电压测量或双极电压测量。在这里，负电压测量是指在adc的参考接地以下直到该参考接地为止的一个区间内的电压测量，双极电压测量是指在adc的参考接地以下直到该参考接地以上的一电位的一个区间内的电压测量。

根据现有技术，可以利用具有特别适配的外部电路的差分输入型adc来实现负极电压测量或双极电压测量。然而，根据现有技术，这些外部电路包括例如运算放大器的有源元件，因此adc的生产成本和功耗可能会增加，而测量性能可能由于有源元件的故障而降低。

技术实现要素：

技术问题

因此，本发明的一个目的是克服或减少现有技术的至少一些缺点，并提供一种用于模数转换器的成本敏感的连接电路，所述连接电路允许负极电压测量和双极电压测量。

解决方案

通过本发明可以避免或至少减少现有技术的一个或更多个缺点，根据本发明，提供了一种用于模数转换器adc的无源连接电路，所述无源连接电路包括第一输入节点和第二输入节点，第一输入节点被配置为接收将被adc转换的模拟输入信号，第二输入节点被配置为接收除adc的参考接地电压之外的参考电压。换句话说，本发明的无源连接电路本身可以被认为构成模拟信号的单端输入端。所述信号可以是可以由传感器(例如温度传感器或电压传感器)提供的电压信号。此外，第二输入节点未连接到adc的参考接地电压引脚，adc的参考接地电压被供应给所述参考接地电压引脚或者由所述参考接地电压引脚供应。

无源连接电路还包括第一输出节点和第二输出节点，第一输出节点被配置为连接到adc的第一差分输入端，第二输出节点被配置为连接到adc的第二差分输入端。此外，第一分压器互连在第一输入节点和第一输出节点之间。也就是说，施加到第一输入节点的电压是第一分压器的输入电压，而第一差分输入节点接收第一分压器的输出电压。第一分压器在将输入电压施加到第一差分输入端之前适当地缩放输入电压。

此外，第二分压器互连在第二输入节点和第二输出节点之间。也就是说，施加到第二输入节点的电压是第二分压器的输入电压，而第二差分输入节点接收第二分压器的输出电压。第二分压器用于使用参考电压在第二差分输入端上产生参考电位。

本发明的无源连接电路不包括例如运算放大器的任何有源元件，因此具有成本效益并且提高了功率效率。然而，无源连接电路适合于将单个电压信号施加到adc的全差分输入端。无源连接电路可以被理解为从单个模拟输入信号提供伪差分输入类型，以将其馈送到adc的差分输入端。此外，施加到无源连接电路的参考电压独立于adc的参考接地电压。因此，不太可能超出adc的电压输入范围，并且adc的分辨率得到改善。

根据无源连接电路的优选实施例，第一分压器包括与第二电阻串联连接的第一电阻，第二分压器包括与第四电阻串联连接的第三电阻，第四电阻是第二电阻的一部分。换句话说，第四电阻是第一分压器的一部分和第二分压器的一部分。因此，无源连接电路的部件数量和制造成本进一步降低。

在无源连接电路的特别优选的实施例中，第一电阻包括第一电阻器，而第二电阻包括第二电阻器和第四电阻器。此外，第三电阻包括第三电阻器，第四电阻包括第四电阻器。特别优选的是，第一电阻由第一电阻器组成，第二电阻由第二电阻器和第四电阻器组成，第三电阻由第三电阻器组成，第四电阻由第四电阻器组成。

在本发明的无源连接电路中，每个电阻器可以是良好匹配的精密电阻器。而且，电阻器型阻抗元件可以使用任何合适的可用材料(例如多晶硅材料、晶体硅材料、金属材料、碳材料、硅铬复合材料等)用于电阻。

取决于无源连接电路的实现，电阻器型材料可以被提供为薄膜和/或厚膜、散装形式、均匀和/或非均匀结构、单独封装的组件等。

进一步优选地，第一分压器和/或第二分压器还分别连接到adc的接地。换句话说，每个分压器与adc使用共同的接地。可选地，分压器可以使用与adc的接地不同的接地(特别优选的是，与adc的接地隔离的接地)，以进一步降低共模信号出现在adc差分输入端的概率。

根据实施例，第二输入节点被配置为接收adc的电源电压。换句话说，无源连接电路的第二输入节点与adc或包括adc的微控制器的电源引脚连接。在本发明的上下文中，微控制器也可以是asic。换句话说，可以由adc提供所需的电源电压，而无源连接电路的参考电压第二节点保持与adc或包括adc的微控制器的参考接地电压引脚不连接。通过经由第二分压器提供adc的电源电压作为参考电压，可以实现adc的轨(rail)内的双极性测量。换句话说，无源连接电路的第二输出节点被配置为向第二差分输入端提供参考电位，其中，参考电位允许如上定义的负极电压测量和双极电压测量。

根据另一优选实施例，无源连接电路还包括第一电容器，第一电容器互连在第一差分输入端和接地(优选adc的接地)之间。进一步优选地，第二电容器互连在第二差分输入端和接地(优选adc的接地)之间。其中，adc的接地不是指adc的参考接地电压引脚，而是仅指接地电位，adc的电源电压由该接地电位决定。示例性地，adc和第一分压器可以使用地或封装外壳作为共同接地。第一电容器和第二电容器使施加到第一差分输入端和第二差分输入端的高频噪声衰减。

特别优选地，本发明的无源连接电路还包括第三电容器，第三电容器互连在adc的第一差分输入端和第二差分输入端之间。换句话说，第三电容器互连在第一分压器的输出端(即第一输出节点)和第二分压器的输出端(即第二输出节点)之间。第三电容器可以进一步衰减由于第一电容器和第二电容器的电容失配导致的残余噪声(具体地，共模噪声)。此外，通过利用第一电容器、第二电容器和第三电容器，可以根据输入电压的带宽和采样频率满足奈奎斯特定理(nyquisttheorem)。但是，可能需要更多的电容器或电阻器来实现奈奎斯特定理。

进一步优选地，第三电容器的容量是第一电容器和第二电容器中的至少一个(优选两个)的容量的至少十倍。另外优选地，第一电容器和第二电容器包括至少基本上相同的标称容量。因此，可以通过强衰减共模噪声来改善adc的信噪比snr。电容器型阻抗元件同样可以使用任何合适的材料(包括作为单独封装组件的常见结构的多晶硅-绝缘体-多晶硅(pip)电容器、多晶硅-绝缘体-金属(pim)电容器、金属-绝缘体-金属(mim和mom)电容器等)来实现。

本发明的另一方面涉及一种包括模数转换器adc和如上所述的无源连接电路的电压测量电路。模数转换器包括第一差分输入端和第二差分输入端，第一差分输入端和第二差分输入端被配置用于联合接收将在adc内被数字化的差分模拟信号。adc还包括用于接收电源电压的电源输入端。根据本发明，无源连接电路互连在模拟输入信号与adc的第一差分输入端和第二差分输入端之间，并且无源连接电路还接收adc的电源电压作为参考电压。

优选地，模拟输入信号由无源连接电路的第一输入节点接收，并且adc的电源电压由无源连接电路的第二输入节点作为参考电压接收。其中，adc的电源电压不同于adc的参考接地电压。因此，无源连接电路提供模拟输入信号和adc的全差分输入端之间的接口。其中，模拟输入信号优选地是电压信号并且可以由传感器提供。adc的差分输入端分别连接到无源连接电路的第一输出节点和第二输出节点。第一差分输入端接收从模拟输入信号导出的经缩放的模拟输入电压，第二差分输入端接收从adc的电源电压或从外部参考电压导出的参考电压。这里的外部参考电压表示既不由adc供应也不由包括adc的微控制器或要测量的系统(即连接到无源连接电路的第一输入节点的系统)供应的电压。为了将这些信号提供给adc的差分输入端，第一分压器互连在无源连接电路的第一输入节点和第一输出节点之间，第二分压器互连在无源连接电路的第二输入节点和第二输出节点之间。

无源连接电路仅使用adc的电源电压或外部提供的参考电压来导出参考电压，并将导出的参考电压反馈给adc。因此，无源连接电路的功耗基本上限于其组件的电阻损耗(具体地，第二分压器的电阻损耗)。无源连接电路可在adc的轨内进行负电压测量和双极电压测量。由于无源连接电路优选地从adc的电源电压导出其参考电压，因此会不太可能超出adc的电压输入范围，并且adc的分辨率得到改善。

在本发明的优选实施例中，本发明的电压测量电路包括用于接收adc参考接地电压的参考接地电压输入端。进一步优选地，参考接地电压输入端与无源连接电路隔离。因此，即使在adc的参考接地电压是从adc的电源电压导出的情况下，也可以有利地减小共模信号分量。

特别优选地，电压测量电路的adc是微控制器的一部分，其中，微控制器还包括第一差分输入引脚和第二差分输入引脚。此外，多路复用器和/或可编程增益放大器pga可以互连在adc的差分输入端和微控制器的差分输入引脚之间。在该实施例中，无源连接电路的第一输出节点和第二输出节点分别连接到微控制器的第一差分输入引脚和第二差分输入引脚。因此，第一输出节点和第二输出节点经由差分输入节点、多路复用器和pga分别连接到第一差分输入端和第二差分输入端。优选地，adc是σ-δ模数转换器。

本发明的另一方面涉及一种包括电压测量电路的电池系统，因此包括如上所述的无源连接电路。在优选实施例中，电池系统包括多个电池模块，其中每个电池模块包括在第一模块端子和第二模块端子之间串联和/或并联连接的多个对齐的电池单体。此外，每个电池模块包括电池监控电路csc，电池监控电路csc被配置为测量电池模块的电池单体中的至少一个的电压。电池系统还包括例如作为bms、bcu或csc的一部分的系统控制单元，系统控制单元包括如上所述的电压测量电路。利用这种系统控制单元的电压测量电路的电池系统中的电压测量的典型示例是高压极和低压接地之间的电压测量、用于继电器诊断的高电压测量或在预充电控制电路内的电压测量。其中，无源连接电路的第一输入节点可以连接到电池模块的电池单体之一，并且adc的电源电压可以由电池模块本身提供。

有益效果

本发明的示例性实施例可以提供用于模数转换器的成本敏感的连接电路，所述连接电路允许负极电压测量和双极电压测量。

附图说明

通过参照附图详细描述示例性实施例，特征对于本领域普通技术人员将变得显而易见，其中：

图1示意性地示出了根据实施例的电压测量电路；

图2示意性地示出了根据实施例的电压测量电路；以及

图3示意性地示出了根据实施例的电压测量电路。

具体实施方式

现在将详细参考实施例，所述实施例的示例在附图中示出。将参照附图描述示例性实施例的效果和特征及其实现方法。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且省略了冗余的30处描述。然而，本发明可以以各种不同的形式实施，并且不应该被解释为仅限于在此所示的实施例。相反，提供这些实施例作为示例使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的方面和特征。

因此，可以不描述被认为对本领域的普通技术人员完整理解本发明的方面和特征所不必要的过程、元件和技术。在附图中，为了清楚起见，可夸大元件、层和区域的相对尺寸。

如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项目的任何和所有组合。此外，当描述本发明的实施例时，“可以”的使用是指“本发明的一个或更多个实施例”。在以下对本发明的实施例的描述中，除非上下文另有明确指示，否则单数形式的术语可包括复数形式。

将理解的是，尽管术语“第一”和“第二”用于描述各种元件，但这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被命名为第二元件，并且类似地，第二元件可以被命名为第一元件。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项目的任何和所有组合。诸如“…中的至少一个(种/者)”的表达在一列元件(要素)之后时，修饰整列元件(要素)而非修饰列表中的单独元件(要素)。

如这里所使用的，术语“基本上”、“大约”和类似的术语被用作近似的术语，而不是用作程度的术语，并且所述术语意在解释将被本领域普通技术人员识别的测量值或计算值的固有偏差。此外，如果术语“基本上”与可以使用数值表示的特征相组合使用，则术语“基本上”表示以该值为中心的值的+/-5％的范围。

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的电压测量电路100。电压测量电路100包括无源连接电路50和作为微控制器60的一部分的adc20。也可以使用asic而不是微控制器。

无源连接电路50包括连接到模拟输入电压vin的第一输入节点11和连接到参考电压vref的第二输入节点12。第一输入节点11经由第一分压器15连接到无源连接电路50的第一输出节点13。第二输入节点12经由第二分压器16连接到无源连接电路50的第二输出节点14。其中，电压vin可以由例如电压传感器或温度传感器的传感器提供，并且无源连接电路50利用vref将单个输入信号作为伪差分输入信号馈送到全差分adc20。

adc20包括第一差分输入端21和第二差分输入端22，第一差分输入端21连接到微控制器60的第一差分输入引脚61，第二差分输入端22连接到微控制器60的第二差分输入引脚62。微控制器60还包括各自连接到提供vsup的电源电压源的电源电压引脚63和参考接地电压引脚64。电源电压引脚63接收vsup并将vsup作为操作和电源电压提供给adc20。参考接地电压引脚64例如通过可包括有源组件的电阻器网络(未示出)来接收从电源电压源导出的参考接地电压。

如图1所示，在无源连接电路50的参考电压vref和微控制器60的参考接地电压引脚64之间不存在连接。因此，无源连接电路50提供了从模拟输入电压vin和参考电压vref导出的差分输入信号，该差分输入信号与adc的参考接地电压无关。

图2示意性地示出了根据本发明的实施例的电压测量电路100。在下文中，省略了已经关于图1描述的组件的详细描述。

如图2所示，第一分压器15包括由第一电阻器35组成的第一电阻，并包括由第二电阻器36和第四电阻器38组成的第二电阻。第二分压器16包括由第三电阻器37组成的第三电阻和由第四电阻器38组成的第四电阻。因此，第四电阻器38是第一分压器15和第二分压器16的一部分。

第一分压器15经由第一输入节点11接收模拟输入电压vin，并经由连接到第一分压器15的第一输出节点13在第一电阻和第二电阻之间(即，在第一电阻器35和第二电阻器36之间)输出经缩放的模拟输入电压。第二分压器16经由连接到微控制器60的电源电压引脚63的第二输入节点12接收参考电压vref。第二分压器16经由连接到第二分压器16的第二输出节点14在第三电阻和第四电阻之间(即，在第三电阻器37和第四电阻器38(或第二电阻器36和第四电阻器38)之间)输出经缩放的参考电压。因此，无源连接电路50的电阻器网络向微控制器60的全差分输入节点61、62提供差分输入，并因此向adc的差分输入端21、22提供差分输入。

图3示意性地示出了根据本发明的实施例的电压测量电路100。在下文中，省略了已经关于图1或图2描述的组件的详细描述。

如图3所示，无源连接电路50还包括在第一差分输入节点61(第一输出节点13)和接地(例如，adc的接地)之间互连的第一电容器41，还包括在第二差分输入节点62(第二输出节点14)和接地之间互连的第二电容器42，并且还包括在第一差分输入节点61和第二差分输入节点62间互连的第三电容器43。第一电容器41和第二电容器42包括至少基本上相同的标称容量和施加到adc20的差分输入端21、22的衰减噪声。因此，可以根据vin的信号带宽和adc20的采样率来实现奈奎斯特定理。

如图3进一步所示，微控制器60还包括多路复用器65和可编程增益放大器pga66，多路复用器65和可编程增益放大器pga66串联地互连在微控制器60的差分输入节点61、62与adc20的差分输入端21、22之间。尽管图3示出了电源电压vsup和参考接地电压分别经由电源电压引脚63和参考接地电压引脚64仅被供应给adc20，但是这些电压也可以被供应给多路复用器65和pga66。

这里描述的根据本发明的实施例的电子装置或电气装置和/或任何其他相关装置或组件(除了明确描述为硬件的那些之外)可以利用任何合适的硬件、固件(例如，专用集成电路)、软件、或者软件、固件和硬件的组合来实现。例如，这些装置的各种组件可以形成在一个集成电路(ic)芯片上或形成在单独的ic芯片上。此外，这些装置的各种组件可以在柔性印刷电路膜、带载封装(tcp)、印刷电路板(pcb)上实现，或者形成在一个基板上。这里描述的电连接或电互连可以通过布线或导电元件例如在pcb或其他类型的电路载体上实现。导电元件可包括金属(例如表面金属和/或引脚)，并且/或者可包括导电聚合物或陶瓷。此外，可以通过无线连接(例如使用电磁辐射和/或光)传输电能。

此外，这些装置的各种组件可以是在一个或多个计算装置中运行在一个或更多个处理器上、执行计算机程序指令并且与其他系统组件交互的用于执行在此描述的各种功能的进程或线程。计算机程序指令存储在存储器中，该存储器可以使用标准存储器装置(诸如，例如随机存取存储器(ram))在计算装置中实现。计算机程序指令还可以存储在其他非暂时性计算机可读介质(诸如，例如cd-rom、闪存驱动器等)中。

此外，本领域技术人员应该认识到，在不脱离本发明的示例性实施例的范围的情况下，各种计算装置的功能可以被组合或集成到单个计算装置中，或者特定计算装置的功能可以分布在一个或更多个其他计算装置上。