[发明专利]基于压控延时链的时域逐次逼近数字智能电池电流检测电路及实现方法

说明书

技术领域

本发明属于电流检测电路领域，涉及一种应用于微控制器方式的智能电池及电池组保护和计量的智能控制电路中的电流检测电路。

背景技术

近几年来，便携式电子产品的迅猛发展促进了电池技术的更新换代，镍铬电池、镍氢电池以及普通一次性电池在重量、体积、能量比及可循环充放电利用上已经不能满足日益进步的现代便携设备的供电要求。尤其是最近，以携带电话为代表的电子产品小型轻量化和以笔记本电脑所用的智能电池为代表的可充电电池的高性能化对电池提出了更高的要求。

可充电式电池是可重复使用的电池，其中锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池、自放电率低、环保无污染等优点，成为了便携式产品的主要电源，尤其在笔记本电脑供电方面，其优异的高能量优势得到了充分的体现。但是由于能量密度高及特有的化学特性，锂离子电池的安全性和稳定性方面也存在隐患，如过充和过高温可能会燃烧甚至导致爆炸，过放电可能造成电池本身的损坏，或者在不正常的情况下突然断电对电池造成影响或损坏。所以，在智能电池系统中对充放电电流进行实时的检测非常重要。因此充放电电流检测是智能电池管理系统中的不可或缺的关键组成部分。

图1显示了一种采用微控制器(MCU)的电池组充电保护及计量智能控制电路的基本框架。电池保护及计量智能控制电路连接到电池/电池组上。通常电池智能控制系统通常包含：模拟前端(AFE)采集电池电压、为微控制器提供电源电压并接收微控制器的开关的控制命令；MOSFET开关在AFE的控制下完成充放电的控制；微控制器完成电池的智能控制和管理，其中在微控制器中包括电池电流检测电路。微控制器通过电流检测电路对电池的充、放电电流进行检测，测得的电流通过数据总线传输到微控制器中的CPU。CPU根据一定算法，进行电量的增减，实现实时检测。

目前电流检测电路主要有三种方式：第一种方式如图2所示，串联在回路中的敏感电阻将充放电电流转化成电压信号，然后经前置放大模块电平移位并放大，通过模数转换器(ADC)转换为相应的数字量，再通过数据总线传输到CPU进行计算。智能电池组的充放电电流的变化范围可能从几个毫安到几十个安培，其动态范围将超过104，这将要求高动态范围的模数转换器。同时为了减小电池组的内阻并降低功耗，通常选取的电阻值在毫欧量级。然而当充、放电电流在毫安量级时，转换成的电压信号在几个微伏量级，这样就需要高精度的ADC来进行电压的转换。而且电池检测要求实时检测，需要一定的转换速度要求。这样模数转换器的速度、精度和动态范围都需要折中考虑，这样大大地增加了电路的实现难度，硬件的复杂性和实现成本。第二种传统检测电路如图3所示，它的工作方式采用电流积分方式。充放电电流通过敏感电阻转换为电压值，在控制电路的控制下，通过积分器对转换的电压进行积分并与一个电平阈值进行比较，然后通过一个控制计数器计数得到数字信号，在每一次积分结束时，将结果存入结果寄存器中，而后通过数据总线传输到CPU。实际上积分的方法是对输入信号积分后取检测电流平均值，这样使模拟输入的噪声和交流干扰大大减小。此方法在电池电量的基本值上补偿了电池温度、放电电流、以及电池自放电、电池老化的影响，从而得到相对精确的电池可输出电量值，而且具有较小的硬件规模。但其精度受积分常数RC的精度和稳定性的影响，同时由于采用计数器完成对积分值的转换，造成此检测电路工作速度很低。第三种检测电路如图4所示，充放电电流通过敏感电阻转换为电压值，斜坡信号发生器的输出和敏感电阻两端的电压连接到充放电比较器的输入，充放电比较器的输出连接时间数字转换器(TDC)转换成数字信号存入结果寄存器中，也连接到充放电标志判决电路形成充放电标志，也保存到结果寄存器中，两部分结果交给MCU中的中央处理单元(CPU)进行分析及电池的控制。实质上此方法就是通过斜波信号发生器和比较器把测得的电压转换成时间信号，即实现电压时间转换，再通过时间数字转换器转换成数字输出。如图4中虚线所示，此方法实现方式新颖，而且时间数字转换器可以用数字工艺实现，具有较小的硬件规模。但所测电压是经过了两级的转换，即电压时间转换和时间数字转换，其精度和速度都受到斜波信号发生器和比较器组成的电压时间转换和时间数字转换的测量速度和测量精度的限制，而且也无法实现全数字化实现。

发明内容

本发明是为了解决现有的智能电池和电池组的检测电路速度低和工艺实现难度大的问题，提出的基于压控延时链的时域逐次逼近数字智能电池电流检测电路及实现方法。