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)：
：隨著時代的發(fā)展，移動便攜設(shè)備、電動汽車、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)計已經(jīng)受到越來越多的重視。電源管理系統(tǒng)通過檢測電源電壓信息和溫度信息來調(diào)整電源的工作狀態(tài)，以延長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)勢應(yīng)用越來越廣泛。通常便攜設(shè)備、電動車、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。鋰電池是通過化學反應(yīng)產(chǎn)生電能，由于每節(jié)電池的化學反應(yīng)程度不同，其產(chǎn)生的電壓也各不相同。因此，當將不同的鋰電池串聯(lián)組成電源時，由于每節(jié)電池的工作性能不同，因此當電源工作以后，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)被過度使用，這樣就會對整個電源性能造成很大的影響。而且當對電源進行充電時，由于不同節(jié)電池所產(chǎn)生的最高電壓不同，因此在進行相同程度的充電時，一些電池就會出現(xiàn)過沖的情況，同樣會對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)來準確讀出電池組各個電池單元的電壓信息，并予以各個電池電源均衡處理以防止電池本身的過壓或者欠壓，延長電池的壽命，節(jié)省成本同時提高電池使用效率。這個問題一直是世界各大電源管理芯片廠商及研究機構(gòu)需要攻克的主要難題。要攻克這個問題的第一步就是要將電池電壓信號傳遞到電源管理系統(tǒng)的信號處理單元。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幾十伏甚至上千伏，而普通開關(guān)無法輸出如此高的信號電壓，因此需要設(shè)計新的高壓開關(guān)用來傳輸高壓信號。圖1是一個電源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。它可以簡單分成兩部分，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控制電池的充放電，高壓開關(guān)陣列用來實現(xiàn)傳輸高壓信號功能，部分線性穩(wěn)壓電路。低壓模塊包括一個上電復(fù)位模塊，時鐘控制模塊，電平移位電路，sigma-deltaADC，一個寄存器陣列和一個芯片溫度測試模塊。其工作過程的第一步也是最重要的一步就是時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法傳輸?shù)叫盘柼幚韱卧?，那么整個電源管理系統(tǒng)就無法真正的工作。所以高壓開關(guān)的實現(xiàn)直接影響電源管理系統(tǒng)工作。技術(shù)實現(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)中高壓信號輸出問題。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MOS管M4的源極接齊納二極管H1的負極，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的負極連接到MOS管M3的漏極，MOS管M8的柵極連接到時鐘控制信號clk，同時電流源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鐘clk和MOS管M11-12完成，當輸入電壓信號低于4V時，由于時鐘高電平為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實現(xiàn)，當高壓開關(guān)選通時，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)明的特點及有益效果是：本發(fā)明提出的高壓開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，而且當逐次對電源中不同節(jié)電池單元進行測量時，各相應(yīng)的高壓傳輸開關(guān)可以共用一個偏置電路，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)可以同時傳輸高壓和低壓信號,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正弦信號的輸入輸出對比圖，其中(a)分別展示輸入輸出信號，(b)將輸入輸出信號合并到一個圖中對比差異。具體實施方式本發(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)最難處理的問題在于一般高壓MOS管的柵源電壓不允許超過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M4的源極接齊納二極管H1的負極，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的負極連接到M3的漏極。M8的柵極連接到時鐘控制信號clk，同時電流源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。其工作過程主要分為兩種模式：低壓模式和高壓模式。當高壓MOS管的閾值電壓為1V，當開關(guān)輸入電壓低于4V時，進入低壓輸出模式。低壓傳輸模式主要由時鐘clk和MOS管M11-12完成，因為當輸入電壓信號低于4V時，由于時鐘高電平為5V，因此MOS管可以正常開啟。當輸入信號大于4V時，可以認為進入高壓傳輸模式。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實現(xiàn)。當高壓開關(guān)選通時，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)完成信號傳輸功能，同時由于齊納二極管的擊穿電壓不超過5V，因此高壓MOS管不存在擊穿問題。Vgs4＝Vb-VX≥|Vth4|(1)Vb-Vg＝Vzener(2)Vgs9,10≤|Vth1|-Vzener(3)當高壓開關(guān)控制時鐘為低電平時，M11-12自然關(guān)斷，此時齊納二極管H2沒有被擊穿，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，一個基于80VBCD工藝的高壓開關(guān)被設(shè)計，本次設(shè)計最高傳輸電壓為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)的各個器件參數(shù)設(shè)計如下：器件名稱寬度(um)長度(um)器件名稱寬度(um)長度(um)M1415M2415M351M453M5410M6410M753M854M9200.5M10200.5M11101.5M12101.5R1220R2220H144H244當高壓開關(guān)導(dǎo)通時，輸入100KHz，0～70V的正弦信號其輸出結(jié)果如圖3所示，其中vinp表示輸入正弦信號，vout表示高壓開關(guān)輸出信號，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。當前第1頁1 2 3