本發(fā)明涉及電源管理領(lǐng)域，尤其是在鋰電池組電源管理方面。具體講,涉及用于電源管理系統(tǒng)的高壓傳輸開關(guān)。
背景技術(shù)：
：隨著時(shí)代的發(fā)展，移動(dòng)便攜設(shè)備、電動(dòng)汽車、功率電子產(chǎn)品等逐漸成為人們生活中的不可缺少的東西。電源作為整個(gè)設(shè)備的供電核心，其性能的穩(wěn)定和工作效率幾乎決定該設(shè)備的工作性能。因此電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)受到越來(lái)越多的重視。電源管理系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)電源電壓信息和溫度信息來(lái)調(diào)整電源的工作狀態(tài)，以延長(zhǎng)電源的使用壽命和提高其工作效率。鋰電池組因其穩(wěn)定、環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通常便攜設(shè)備、電動(dòng)車、功率電子等產(chǎn)品的電源都是由若干節(jié)鋰電池串聯(lián)而成。鋰電池是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，由于每節(jié)電池的化學(xué)反應(yīng)程度不同，其產(chǎn)生的電壓也各不相同。因此，當(dāng)將不同的鋰電池串聯(lián)組成電源時(shí)，由于每節(jié)電池的工作性能不同，因此當(dāng)電源工作以后，每節(jié)電池放電后剩余的電壓也不相同，在一些情況下，某些節(jié)電池已經(jīng)被過(guò)度使用，這樣就會(huì)對(duì)整個(gè)電源性能造成很大的影響。而且當(dāng)對(duì)電源進(jìn)行充電時(shí)，由于不同節(jié)電池所產(chǎn)生的最高電壓不同，因此在進(jìn)行相同程度的充電時(shí)，一些電池就會(huì)出現(xiàn)過(guò)沖的情況，同樣會(huì)對(duì)電源性能造成很大的影響。因此，我們需要使用電源管理系統(tǒng)來(lái)準(zhǔn)確讀出電池組各個(gè)電池單元的電壓信息，并予以各個(gè)電池電源均衡處理以防止電池本身的過(guò)壓或者欠壓，延長(zhǎng)電池的壽命，節(jié)省成本同時(shí)提高電池使用效率。這個(gè)問(wèn)題一直是世界各大電源管理芯片廠商及研究機(jī)構(gòu)需要攻克的主要難題。要攻克這個(gè)問(wèn)題的第一步就是要將電池電壓信號(hào)傳遞到電源管理系統(tǒng)的信號(hào)處理單元。但是由于電池組是由多節(jié)電池串聯(lián)而成，因此其電壓可以高達(dá)幾十伏甚至上千伏，而普通開關(guān)無(wú)法輸出如此高的信號(hào)電壓，因此需要設(shè)計(jì)新的高壓開關(guān)用來(lái)傳輸高壓信號(hào)。圖1是一個(gè)電源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。它可以簡(jiǎn)單分成兩部分，一部分是高壓模塊，另一部分是低壓模塊。高壓模塊主要包塊了電池均衡電路用來(lái)控制電池的充放電，高壓開關(guān)陣列用來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸高壓信號(hào)功能，部分線性穩(wěn)壓電路。低壓模塊包括一個(gè)上電復(fù)位模塊，時(shí)鐘控制模塊，電平移位電路，sigma-deltaADC，一個(gè)寄存器陣列和一個(gè)芯片溫度測(cè)試模塊。其工作過(guò)程的第一步也是最重要的一步就是時(shí)鐘模塊控制高壓開關(guān)陣列傳輸電池的高壓信息。如果電池電壓信息無(wú)法傳輸?shù)叫盘?hào)處理單元，那么整個(gè)電源管理系統(tǒng)就無(wú)法真正的工作。所以高壓開關(guān)的實(shí)現(xiàn)直接影響電源管理系統(tǒng)工作。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在完成將電源管理系統(tǒng)中電池的高壓信號(hào)傳輸?shù)胶罄m(xù)處理模塊。解決電源管理系統(tǒng)中高壓信號(hào)輸出問(wèn)題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，用于電源管理系統(tǒng)的高壓傳輸開關(guān)，由偏置電路和開關(guān)電路組成，偏置電路由高壓MOS管M1-4，電阻R1，齊納二極管H1和電流源I1組成；其中MOS管M1-2的源極連接到串聯(lián)電池組的最高電壓，MOS管M1的柵極和漏極同MOS管M2-3的柵極和電阻R1的一端相連，電阻R1的另一端和電流源I1相連，電流源I1跨接在電阻R1和地之間，MOS管M2的漏極和MOS管M3的源極相連，MOS管M4跨接在地和MOS管M3的漏極之間，MOS管M4的漏接接地，同時(shí)MOS管M4的源極接齊納二極管H1的負(fù)極，MOS管M4的柵極接齊納二極管的柵極；開關(guān)電路由高壓MOS管M5-12，電阻R2，齊納二極管H2和電流源I2-3組成，MOS管M5-6的源極連接到串聯(lián)電池組的最高電壓，MOS管M5的柵極和漏極同MOS管M6-7的柵極和電阻R2的一端相連，電阻R2的另一端和電流源I2相連，電流源I2跨接在電阻R2和地之間，MOS管M7的漏極與齊納二極管H2的正極，MOS管M8的漏極和MOS管M9-10的柵極相連，齊納二極管H2的負(fù)極連接到MOS管M3的漏極，MOS管M8的柵極連接到時(shí)鐘控制信號(hào)clk，同時(shí)電流源I3跨接在MOS管M8的源極和地之間，MOS管M4的柵極與MOS管M9-10的源極和襯底相連，MOS管M11和M12的柵極連接到控制信號(hào)clk，它們的源極也連接在一起，MOS管M9和MOS管M11的漏接都連接到開關(guān)的輸入端Vin，MOS管M10和MOS管M12的漏極都連接到開關(guān)的輸出端Vout。其中電流源可以使用鏡像MOS電流源替代。工作過(guò)程主要分為兩種模式：低壓模式和高壓模式；低壓傳輸模式主要由時(shí)鐘clk和MOS管M11-12完成，當(dāng)輸入電壓信號(hào)低于4V時(shí)，由于時(shí)鐘高電平為5V，因此MOS管可以正常開啟；高壓傳輸模式由偏置電路和MOS管M5-10，電阻R2，齊納二極管H2和電流源I2-3實(shí)現(xiàn)，當(dāng)高壓開關(guān)選通時(shí)，偏置電路中M4的柵源電壓如式1所示，由于clk為高電平，因此MOS管M8導(dǎo)通，導(dǎo)致齊納二極管H2擊穿，齊納二極管H2兩端電壓如式2所示；因此M9-10的柵源電壓如式3所示；高壓MOS管M9-10導(dǎo)通，開關(guān)完成信號(hào)傳輸功能；Vgs4＝Vb-VX≥|Vth1|(1)Vb-Vg＝Vzener(2)Vgs9,10≤|Vth1|-Vzener(3)其中Vgs4為MOS管M4的柵源電壓，Vb為MOS管M4源極電壓，VX為MOS管M4的柵極電壓，Vth4為MOS管M4的閾值電壓，Vb為M4柵極電壓，Vg為MOS管M10與MOS管M9的柵極電壓，Vzener為齊納二極管H2的擊穿電壓，Vgs9,10為MOS管M9和MOS管M10的柵源電壓，Vth4為MOS管M4的閾值電壓，Vzener為齊納二極管H2的擊穿電壓。本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是：本發(fā)明提出的高壓開關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且當(dāng)逐次對(duì)電源中不同節(jié)電池單元進(jìn)行測(cè)量時(shí)，各相應(yīng)的高壓傳輸開關(guān)可以共用一個(gè)偏置電路，這樣可以節(jié)省高壓開關(guān)陣列的芯片面積。本發(fā)明提出的高壓開關(guān)可以同時(shí)傳輸高壓和低壓信號(hào),最低可傳輸電壓為0V，最高可傳輸電壓由高壓工藝支持的最高電壓決定。附圖說(shuō)明：圖1：電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2：本發(fā)明提出的高壓開關(guān)結(jié)構(gòu)；圖3：本發(fā)明提出的高壓開關(guān)輸出0～70V正弦信號(hào)的輸入輸出對(duì)比圖，其中(a)分別展示輸入輸出信號(hào)，(b)將輸入輸出信號(hào)合并到一個(gè)圖中對(duì)比差異。具體實(shí)施方式本發(fā)明提出的高壓開關(guān)最高傳輸電壓由工藝支持的最高電壓決定。高壓開關(guān)最難處理的問(wèn)題在于一般高壓MOS管的柵源電壓不允許超過(guò)5V。本發(fā)明提出的高壓開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示，高壓MOS管柵源擊穿電壓為5V，控制時(shí)鐘高電平為5V，低電平為0V。它主要由偏置電路和開關(guān)電路組成。偏置電路由高壓MOS管M1-4，電阻R1，齊納二極管H1和電流源I1組成。其中MOS管M1-2的源極連接到串聯(lián)電池組的最高電壓，M1的柵極和漏極同M2-3的柵極和電阻R1的一端相連，電阻R1的另一端和電流源I1相連。電流源I1跨接在電阻R1和地之間。M2的漏極和M3的源極相連，M4跨接在地和M3的漏極之間，M4的漏接接地，同時(shí)M4的源極接齊納二極管H1的負(fù)極，M4的柵極接齊納二極管的柵極。開關(guān)電路由高壓MOS管M5-12，電阻R2，齊納二極管H2和電流源I2-3組成。MOS管M5-6的源極連接到串聯(lián)電池組的最高電壓，M5的柵極和漏極同M6-7的柵極和電阻R2的一端相連，電阻R2的另一端和電流源I2相連。電流源I2跨接在電阻R2和地之間。M7的漏極與齊納二極管H2的正極，M8的漏極，M9-10的柵極相連。H2的負(fù)極連接到M3的漏極。M8的柵極連接到時(shí)鐘控制信號(hào)clk，同時(shí)電流源I3跨接在M8的源極和地之間。M4的柵極與M9-10的源極和襯底相連。M11和M12的柵極連接到控制信號(hào)clk，它們的源極也連接在一起。M9和M11的漏接都連接到開關(guān)的輸入端Vin，M10和M12的漏極都連接到開關(guān)的輸出端Vout。其中電流源可以使用鏡像MOS電流源替代。其工作過(guò)程主要分為兩種模式：低壓模式和高壓模式。當(dāng)高壓MOS管的閾值電壓為1V，當(dāng)開關(guān)輸入電壓低于4V時(shí)，進(jìn)入低壓輸出模式。低壓傳輸模式主要由時(shí)鐘clk和MOS管M11-12完成，因?yàn)楫?dāng)輸入電壓信號(hào)低于4V時(shí)，由于時(shí)鐘高電平為5V，因此MOS管可以正常開啟。當(dāng)輸入信號(hào)大于4V時(shí)，可以認(rèn)為進(jìn)入高壓傳輸模式。高壓傳輸模式由偏置電路和高壓MOS管M5-10，電阻R2，齊納二極管H2和電流源I2-3實(shí)現(xiàn)。當(dāng)高壓開關(guān)選通時(shí)，偏置電路中M4的柵源電壓如式1所示，其中Vgs4為M4的柵源電壓，Vb為M4源極電壓，VX為M4的柵極電壓，Vth4為M4的閾值電壓。由于clk為高電平，因此M8導(dǎo)通，這將導(dǎo)致齊納二極管H2擊穿，齊納二極管H2兩端電壓如式2所示，其中Vb為M4柵極電壓，Vg為M10與M9的柵極電壓，Vzener為齊納二極管H2的擊穿電壓。因此M9-10的柵源電壓如式3所示，其中Vgs9,10為M9和M10的柵源電壓，Vth4為M4的閾值電壓，Vzener為齊納二極管H2的擊穿電壓。因此高壓MOS管M9-10導(dǎo)通，開關(guān)完成信號(hào)傳輸功能，同時(shí)由于齊納二極管的擊穿電壓不超過(guò)5V，因此高壓MOS管不存在擊穿問(wèn)題。Vgs4＝Vb-VX≥|Vth4|(1)Vb-Vg＝Vzener(2)Vgs9,10≤|Vth1|-Vzener(3)當(dāng)高壓開關(guān)控制時(shí)鐘為低電平時(shí)，M11-12自然關(guān)斷，此時(shí)齊納二極管H2沒(méi)有被擊穿，因此M9-10的柵源電壓將大于0V，M9-10關(guān)斷。因此本發(fā)明提出的高壓開關(guān)可以在高壓MOS管不被擊穿的前提下，完成傳輸高壓和低壓信號(hào)功能。為了更清晰的展示本發(fā)明提出高壓開關(guān)性能，一個(gè)基于80VBCD工藝的高壓開關(guān)被設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)最高傳輸電壓為70V。其中電流源I1-3使用理想電流源，電流值分別為1uA，1uA，2uA。剩余高壓開關(guān)的各個(gè)器件參數(shù)設(shè)計(jì)如下：器件名稱寬度(um)長(zhǎng)度(um)器件名稱寬度(um)長(zhǎng)度(um)M1415M2415M351M453M5410M6410M753M854M9200.5M10200.5M11101.5M12101.5R1220R2220H144H244當(dāng)高壓開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入100KHz，0～70V的正弦信號(hào)其輸出結(jié)果如圖3所示，其中vinp表示輸入正弦信號(hào)，vout表示高壓開關(guān)輸出信號(hào)，從圖中可以看出本發(fā)明提出的高壓開關(guān)可以很好的傳輸高壓和低壓信號(hào)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3