采样开关电路和电压采样电路

技术领域

本发明实施例涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种采样开关电路和电压采样电路。

背景技术

诸如电动汽车等用电设备中使用电池包来提供能量，电池包中可以包含多节串联的电芯(例如，锂离子电芯)。为了提高电池包的利用率、效率以及安全性，需要电池监控芯片来检测电池的电压、电流和/或温度信息。

在监测多个电芯的电压时，为了提高电压采样电路的采样精度，需要设置多个开关电路，能够对多个采样通道独立地进行开关。然而，开关电路会使采样通道的采样精度受到影响。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种采样开关电路和电压采样电路，以至少部分解决上述问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供了一种采样开关电路，包括：开关控制模块，包括：主开关支路，所述主开关支路的输入端连接到电芯采样节点，所述主开关支路的输出端连接到降压转换电路，所述主开关支路的输入端与输出端之间的第一偏置端跟随所述主开关支路的输入端的电压或输出端的电压变动，所述主开关支路在所述第一偏置端与控制端之间的第一驱动电压到达第一阈值时进入接通状态；辅开关支路，所述辅开关支路的输入端连接到所述电芯采样节点，所述主开关支路与所述辅开关支路通过所述控制端连接，在所述辅开关支路的输入端与输出端之间的第二偏置端与所述控制端之间的第二驱动电压到达第二阈值时所述辅开关支路进入接通状态，所述第二阈值不小于所述第一阈值；下拉控制模块，连接在所述第二偏置端与所述控制端之间，用于根据所述第一偏置端的电压下拉所述控制端的电压，生成所述第二驱动电压。

在本发明的另一实现方式中，所述主开关支路包括第一PMOS管，所述辅开关支路包括第二PMOS管，所述第一偏置端连接到所述第一PMOS管的源极，所述第二偏置端连接到所述第二PMOS管的源极，所述控制端连接在所述第一PMOS管的栅极与所述第二PMOS管的栅极之间。

在本发明的另一实现方式中，所述主开关支路还包括第三PMOS管，所述辅开关支路包括第四PMOS管，所述第一PMOS管的源极连接到所述第三PMOS管的源极，所述第二PMOS管的源极连接到所述第四PMOS管的源极，所述第一PMOS管的漏极为所述主开关支路的输出端，所述第三PMOS管的漏极为所述主开关支路的输入端，所述第二PMOS管的漏极为所述辅开关支路的输出端，所述第四PMOS管的漏极为所述辅开关支路的输入端，所述控制端连接在所述第三PMOS管的栅极与所述第四PMOS管的栅极之间。

在本发明的另一实现方式中，所述采样开关电路还包括钳位电路，所述钳位电路连接在所述第二偏置端与所述控制端之间。

在本发明的另一实现方式中，所述钳位电路包括第五PMOS管，所述第五PMOS管的源极连接到所述第二偏置端，所述第五PMOS管的栅极与漏极连接到所述控制端。或者，所述钳位电路包括通过源极与漏极连接串联的多个第五PMOS管，每个第五PMOS管的栅极与漏极连接，首个第五PMOS管的源极连接到所述第二偏置端，最末第五PMOS管的栅极与漏极连接到所述控制端。

在本发明的另一实现方式中，所述开关控制模块还包括第六PMOS管，所述第六PMOS管的栅极与源极连接，所述第六PMOS管的源极连接到所述第一PMOS管的源极与所述第三PMOS管的源极之间，所述第六PMOS管的衬底连接到所述第二PMOS管的源极与所述第四PMOS管的源极之间，所述第六PMOS管的漏极连接到所述控制端。

在本发明的另一实现方式中，所述采样开关电路还包括上拉电流源，所述上拉电流源的一端连接在所述第一PMOS管的源极和所述第三PMOS管的源极之间，所述上拉电流源的另一端连接到偏置高压侧。

在本发明的另一实现方式中，所述下拉控制模块包括第一NMOS管和第一电阻，所述第一电阻连接在所述第二偏置端与所述第一NMOS管的漏极之间，所述第一NMOS管的漏极连接到所述控制端，所述第一NMOS管的源极连接到偏置低压侧，所述第一NMOS管的栅极接收第一下拉控制信号。

在本发明的另一实现方式中，所述下拉控制模块还包括第一下拉电流源，所述第一下拉电流源的一端连接到所述第一NMOS管的源极，所述第一下拉电流源的另一端接地。

在本发明的另一实现方式中，所述采样开关电路还包括第二NMOS管和第二下拉电流源，所述第二NMOS管的源极连接到所述第二下拉电流源的一端，所述第二下拉电流源的另一端接地，所述第二NMOS管的漏极连接到所述第一NMOS管的源极，所述第二NMOS管的栅极接收第二下拉控制信号。

在本发明的另一实现方式中，所述采样开关电路还包括上拉控制模块，连接在所述第二偏置端和所述控制端之间，用于在所述下拉控制模块执行控制之后，根据所述第二偏置端的电压对所述控制端的电压进行上拉。

在本发明的另一实现方式中，所述上拉控制模块包括第三下拉电流源、第三NMOS管以及由第七PMOS管和第八PMOS管组成的电流镜，所述第七PMOS管的栅极连接到所述第八PMOS管的栅极，所述第七PMOS管的源极和所述第八PMOS管的源极连接到所述偏置电压端，所述第七PMOS管的漏极连接到所述第三NMOS管的漏极，所述第八PMOS管的漏极连接到所述控制端，所述第三NMOS管的源极连接到所述第三下拉电流源的一端，所述第三下拉电流源的另一端连接到偏置低压侧，所述第三NMOS管的栅极接收第一上拉控制信号。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种电压采样电路，包括：根据第一方面所述的采样开关电路、降压转换电路以及模数转换电路。

在根据本发明实施例中，主开关支路的输入端与输出端之间的第一偏置端跟随主开关支路的输入端的电压或输出端的电压变动，主开关支路与辅开关支路通过控制端连接，因此，在第二驱动电压到达第二阈值时辅开关支路进入接通状态的情况下，第一驱动电压会到达第一阈值，从而主开关支路进入接通状态。也就是说，第二驱动电压随着第一驱动电压到达第一阈值而到达第二阈值。进一步地，下拉控制模块连接在第二偏置端与控制端之间，生成用于驱动辅开关支路的第二驱动电压，第二驱动电压到达第二阈值时产生的电流会经由辅开关支路流到下拉控制模块，而不会流过主开关支路，从而减小了主开关支路的静态功耗，提高了电压采样的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明的一个实施例的电压采样电路的示意性框图。

图2为根据本发明的另一实施例的采样开关电路的示意性框图。

图3为图2的采样开关电路的另一示例的示意性框图。

图4为图2和图3的实施例的采样开关电路的示意性电路图。

图5为图2的实施例的相关控制信号的时序图。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。

下面结合本发明实施例附图进一步说明本发明实施例具体实现。

在监测多个电芯的电压时，为了提高电压采样电路的采样精度，需要对应于多个电芯串联节点设置多个采样开关电路，从而对多个采样通道独立地进行开关。图1示出了本发明的一个实施例的电压采样电路。图1的电压采样电路100包括采样开关电路110、降压转换电路120、以及模数转换电路130。

采样开关电路110通过接通和关断，实现对采样电芯140(例如，高电压域的电芯电压)的电压采样(例如，高电压域的电压采样)。降压转换电路120用于将高电压域的模拟采样信号转换成低电压域的模拟采样信号。模数转换电路(Analog-to-Digital Converter，ADC)130用于将低电压域的模拟采样信号转换为数字采样信号。

传统技术中的电压采样电路采用电阻分压方式，在对采样电芯的采样的同时执行模拟采样信号的高低电压域的转换，然后，通过模数转换电路对低电压域的模拟采样信号进行模数转换，得到数字采样信号。为此，本发明的各个实施例提供了一系列方案，能提高采样精度。

下面将结合图2描述根据本发明的另一实施例的采样开关电路。图2的采样开关电路110包括开关控制模块210和下拉控制模块203。

进一步地，开关控制模块210包括主开关支路201和辅开关支路202。

具体地，主开关支路201主开关支路的输入端连接到电芯采样节点，主开关支路的输出端连接到降压转换电路，主开关支路的输入端与输出端之间的第一偏置端跟随主开关支路的输入端的电压或输出端的电压变动，主开关支路在第一偏置端与控制端之间的第一驱动电压到达第一阈值时进入接通状态。辅开关支路202辅开关支路的输入端连接到电芯采样节点，主开关支路与辅开关支路通过控制端连接，在辅开关支路的输入端与输出端之间的第二偏置端与控制端之间的第二驱动电压到达第二阈值时辅开关支路进入接通状态，第二阈值不小于第一阈值。

此外，下拉控制模块203连接在第二偏置端与控制端之间，用于根据第一偏置端的电压下拉控制端的电压，生成第二驱动电压，使第一偏置端与控制端之间的第二驱动电压大致为恒定值，从而不跟随电芯采样节点输入的电压的变化而变化，提高了开关控制模块输入的线性度。

在根据本发明实施例中，主开关支路的输入端与输出端之间的第一偏置端跟随主开关支路的输入端的电压或输出端的电压变动，主开关支路与辅开关支路通过控制端连接，因此，在第二驱动电压到达第二阈值时辅开关支路进入接通状态的情况下，第一驱动电压会到达第一阈值，从而主开关支路进入接通状态。也就是说，第二驱动电压随着第一驱动电压到达第一阈值而到达第二阈值。进一步地，下拉控制模块连接在第二偏置端与控制端之间，生成用于驱动辅开关支路的第二驱动电压，第二驱动电压到达第二阈值时产生的电流会经由辅开关支路流到下拉控制模块，而不会流过主开关支路，从而避免在主开关支路引入静态电流，减小了主开关支路的开关压降引起的采样误差，即，提高了电压采样的精度。

如图3所示，VC

在一些示例中，连接到电芯采样节点的两个采样开关电路110分别用于采样处于电芯采样节点的一侧的电芯正极电压以及处于电芯采样节点的另一侧的电芯负极电压。

在另一些示例中，处于相邻电芯采样节点的同一侧的采样开关电路中的辅开关支路的输出端可以彼此连接。例如，采样VC

此外，采样开关电路110还可以包括模块204-207中的至少一者，下面将结合图4的电路图详细描述图2和图3的实施例的各个模块的功能和作用。

在一些示例中，主开关支路包括第一PMOS管，辅开关支路包括第二PMOS管，第一偏置端连接到第一PMOS管的源极，第二偏置端连接到第二PMOS管的源极，控制端连接在第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极之间。

进一步地，参考图4，主开关支路还包括第三PMOS管(例如，M3)，辅开关支路包括第四PMOS管(例如，M4)。第一PMOS管(例如，M1)的源极连接到第三PMOS管(例如，M3)的源极。第二PMOS管(例如，M2)的源极连接到第四PMOS管的源极，第一PMOS管的漏极为主开关支路的输出端，第三PMOS管的漏极为主开关支路的输入端，第二PMOS管的漏极为辅开关支路的输出端，第四PMOS管的漏极为辅开关支路的输入端，控制端连接在第三PMOS管的栅极与第四PMOS管的栅极之间。

应理解，第一PMOS管具有第一寄生二极管，第二PMOS管具有第二寄生二极管，第二PMOS管具有第二寄生二极管，第三PMOS管具有第三寄生二极管，第四PMOS管具有第四寄生二极管。因此，第一寄生二极管的阴极与第三寄生二极管的阴极连接，第二寄生二极管的阴极与第四寄生二极管的阴极连接。在主开关支路的关断时，第一PMOS管的源极与第三PMOS管的源极之间的第一偏置端(即，Vx节点)跟随第一PMOS管的漏极(即，主开关支路的输出端)电压与第三PMOS管的漏极(即，主开关支路的输入端)电压中的较高的电压变动，也就是说，第一寄生二极管与第三寄生二极管中的一者导通，另一者关断，从而实现了主开关支路的输入端与输出端的隔离。

类似地，在辅开关支路的关断时，第二寄生二极管与第四寄生二极管中的一者导通，另一者关断，从而实现了辅开关支路的输入端与输出端的隔离。

进一步地，第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极之间具有连接节点Vg(控制端的示例)，第二PMOS管的源极与第四PMOS管的源极之间具有连接节点Vc(第二偏置端的示例)。第二阈值可以是第二PMOS管和第四PMOS管导通的开关阈值，第一阈值可以是第一PMOS管和第三PMOS管导通的开关阈值。作为一个示例，第一阈值与第二阈值相等，例如，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管具有相同的规格。

通过下拉控制模块203的下拉，第二驱动电压Vc-Vg>第二阈值，第二PMOS管和第四PMOS管导通，辅开关支路接通。第二阈值不小于第一阈值，从而第二驱动电压Vc-Vg>第一阈值。由于辅开关支路接通时，Vc节点的电压近似等于主开关支路的输入端的电压，从而第一驱动电压近似等于第二驱动电压，第二PMOS管和第四PMOS管导通，主开关支路导通。

在另一些示例中，开关控制模块还包括钳位电路，钳位电路连接在第二偏置端与控制端之间。

进一步参考图4，钳位电路包括PMOS管M11、PMOS管M12和PMOS管M13，M11、M12和M13各自的栅极与漏极连接，M11的源极连接到第二偏置端，M13的栅极与漏极连接到控制端。上述的三个PMOS管M11、M12和M13的数目仅仅为示例性的。

不失一般性地，钳位电路包括通过源极与漏极连接串联的多个第五PMOS管，每个第五PMOS管的栅极与漏极连接，首个第五PMOS管的源极连接到第二偏置端，最末第五PMOS管的栅极与漏极连接到控制端。应理解，每个第五PMOS管的规格可以相同和可以不同。

可替代地，钳位电路包括第五PMOS管，第五PMOS管的源极连接到第二偏置端，第五PMOS管的栅极与漏极连接到控制端。

进一步地，开关控制模块还包括第六PMOS管(例如，M14)，第六PMOS管的栅极与源极连接，第六PMOS管的源极连接到第一PMOS管的源极与第三PMOS管的源极之间，第六PMOS管的衬底连接到第二PMOS管的源极与第四PMOS管的源极之间，第六PMOS管的漏极连接到控制端。

具体地，第一PMOS管的源极与第三PMOS管的源极通过第一偏置端连接，即，Vx节点。也就是说，M14实现为双向二极管，当Vg-Vx>Vth(M14的开关阈值)时，通过M14的沟道导通，当Vx大于Vc时，通过M14的源极与衬底之间的等效二极管导通，从而使得控制端的电压与第二偏置端的电压和第一偏置端的电压同步变化。在M1-M4关闭时，Vg节点、Vx节点、Vc节点三者的电压接近一致。

此外，采样开关电路还包括上拉电流源(例如，电流源I4)，上拉电流源的一端连接在第一PMOS管的源极和第三PMOS管的源极之间，上拉电流源的另一端连接到偏置高压侧。

对于较低电压的电芯采样节点而言，考虑下面各个节点的电压OUTP>Vx>衬底电压，使得第一PMOS管与衬底之间的寄生双极性三极管导通，因此，采样开关电路的开关控制模块关断的情况下(例如，在采集较高电压的电芯采样节点的情况下)，第一PMOS管在高温下会有较大漏电，造成采样误差，通过控制逻辑控制连接到VC16的I4电流源，能够将Vx上拉至更高，以关闭寄生双极性三极管，避免了漏电情况的发生。应理解，上述配置可以在模块207中执行。

进一步地，下拉控制模块203可以包括第一NMOS管(例如，M5)和第一电阻(例如，R1)。第一电阻可以连接在第二偏置端与第一NMOS管的漏极之间，第一NMOS管的漏极连接到控制端，第一NMOS管的源极连接到偏置低压侧，第一NMOS管的栅极接收第一下拉控制信号(例如，信号S1)。由此，基于上述简单的电路配置，在第一控制信号控制第一NMOS管接通时，实现了Vg节点电压的下拉，在第一电阻的两端生成了第二驱动电压。应理解，图5示出了图2或图3的采样开关电路中的相关控制信号的时序图。例如，第一下拉控制信号S1在时刻t1从低电平切换到高电平，使第一NMOS管接通；在时刻t2从高电平切换到低电平，使第一NMOS管关断；在时刻t3从低电平切换到高电平使第一NMOS管接通。

进一步地，下拉控制模块203还可以包括第一下拉电流源(例如，电流源I1)，第一下拉电流源的一端连接到第一NMOS管的源极，第一下拉电流源的另一端接地。由此，通过第一下拉电流源，更加高效和可靠地实现了Vg节点电压的下拉。

在另一些示例中，采样开关电路还可以包括第二NMOS管(例如，M6)和第二下拉电流源(例如，电流源I2)，即，模块204。具体地，第二NMOS管的源极连接到第二下拉电流源的一端，第二下拉电流源的另一端接地，第二NMOS管的漏极连接到第一NMOS管的源极，第二NMOS管的栅极接收第二下拉控制信号(例如，信号S2)。在第二下拉控制信号控制第二NMOS管接通时，通过第二下拉电流源进一步使Vg节点电压的下拉，即，使Vg节点快速放电。返回到图5所示的时序图，第二下拉控制信号S2可以为脉冲信号，在S1从低电平切换到高电平的时刻t1，S2从低电平切换到高电平使第二NMOS管接通，然后，在较短的时段内从高电平回落到低电平使第二NMOS管关断。类似地，在S1从低电平切换到高电平的时刻t3，也从低电平切换到高电平，然后，在较短的时段内从高电平回落到低电平使第二NMOS管关断。

在另一些示例中，采样开关电路还包括上拉控制模块205，连接在第二偏置端和控制端之间，用于在下拉控制模块执行控制之后，根据第二偏置端的电压对控制端的电压进行快速上拉，从而提高了开关控制精度。

进一步如图4所示，上拉控制模块包括第三下拉电流源(例如，电流源I3)、第三NMOS管(例如，M9)以及由第七PMOS管(例如，M7)和第八PMOS管(例如，M8)组成的电流镜。第七PMOS管的栅极连接到第八PMOS管的栅极，第七PMOS管的源极和第八PMOS管的源极连接到偏置电压端，第七PMOS管的漏极连接到第三NMOS管的漏极，第八PMOS管的漏极连接到控制端，第三NMOS管的源极连接到第三下拉电流源的一端，第三下拉电流源的另一端连接到偏置低压侧，第三NMOS管的栅极接收第一上拉控制信号(例如，S3)。由此，在下拉控制模块203执行控制之后，第一上拉控制信号使第三NMOS管接通，通过电流源上拉Vg节点电压(即，使Vg节点快速充电)，使其上拉至与Vc节点电压一致(例如，相等或大致相等)，从而M1-M4关断。即，在采样开关单元从开启切换到关闭时，S1从高电平切换到低电平，S3从低电平切换到高电平。也就是说，如图5所示，第一上拉控制信号可以是脉冲信号，在S1从高电平切换到低电平的时刻t2，第一上拉控制信号从低电平切换到高电平使第三NMOS管接通，从而通过电流源将Vg节点电压上拉到与Vc节点电压一致，然后，在较短的时段后，第一上拉控制信号从高电平回落到低电平，使第三NMOS管关断。

至此，已经对本主题的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作可以按照不同的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序，以实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理可以是有利的。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。