一種用于庫侖計量的電流檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于庫侖計量的電流檢測裝置，包括檢流電阻、電壓信號調理模塊、AD轉換模塊、參考電壓源模塊、采樣時鐘源模塊、數字濾波模塊、失調校準模塊、增益誤差校準模塊以及時序控制模塊。本發明為便攜式電子設備的庫侖計量提供了一種高精度低損耗的電流檢測方案,使得電子設備能夠實時準確地向用戶提供電池剩余電量信息，增強用戶體驗。本發明技術方案引入的附加功率損耗比較低，對電池的續航時間并不產生顯著的影響。
【專利說明】—種用于庫侖計量的電流檢測裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及電信號檢測【技術領域】，具體涉及一種用于庫侖計量的電流檢測裝置，尤其涉及便攜式電子設備庫侖計量的電流檢測裝置。
【背景技術】
[0002]由于便攜式電子設備的日益普及，便攜式電子設備的電源技術得到了快速的發展。目前的便攜式電子設備通常采用鋰電池供電，科學的電池管理能夠充分發揮電子設備的性能，節省功耗，優化用戶體驗。便攜式電子設備庫侖計量的目的是提供準確的電池剩余電量信息，而電池剩余電量是用戶所需要的重要信息之一。流經電池的電流波形比較復雜，所幸的是庫侖計量只需要精確地測量流進和流出電池的凈電流，而并不關注電流波形的頻率成分。大多數的便攜式電子設備，至少會工作在兩種功率等級，一種是設備執行特定工作任務如開機的高功率模式，一種是間歇性工作如待機的低功耗模式，由于設備工作模式的切換往往無法預先通知電流檢測裝置，這就要求電流檢測電路有足夠的動態范圍，既能測量開機模式下的大電流，又能測量待機模式下的小電流，并在整個動態范圍內保持線性。庫侖計量的應用，要求檢測的電流達到足夠的精度。微小的測量誤差長時間積累起來，會使得電池的測量容量和實際容量產生巨大的偏差。便攜式電子設備庫侖計量一般是在電池的功率通路中串接一個小電阻作檢流電阻，然后把檢流電阻上的電壓模擬量轉化為數字量。為了盡可能地降低I2R(功率)損耗，檢流電阻的阻值應盡可能的小。但是如此一來通過檢流電阻產生的電壓信號非常微弱，通常為幾十μ V甚至幾μ V的級別，噪聲和失調很容易把有效的信號淹沒，導致測量誤差。此外檢流電阻的精度一般只能保證到I %，并且阻值低的檢流電阻在焊接組裝過程中也會引入較大的偏差，從而給檢測結果帶來相當顯著的增益誤差。
【發明內容】
[0003]本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的不足，提供一種用于庫侖計量的電流檢測裝置，克服現有技術的電流檢測裝置容易造成測量誤差的缺陷。
[0004]本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案為:
[0005]一種用于庫侖計量的電流檢測裝置，包括檢流電阻、電壓信號調理模塊、AD轉換模塊、參考電壓源模塊、采樣時鐘源模塊、數字濾波模塊、失調校準模塊、增益誤差校準模塊以及時序控制模塊，所述檢流電阻、所述電壓信號調理模塊、所述AD轉換模塊、所述數字濾波模塊、所述失調校準模塊、所述增益誤差校準模塊依次相連并分別所述時序控制模塊相連，所述參考電壓源模塊、所述采樣時鐘源模塊與所述AD轉換模塊相連并分別所述時序控制模塊相連，所述電壓信號調理模塊用于對所述檢流電阻兩端的放電電壓信號、充電電壓信號和失調電壓信號進行放大，所述AD轉換模塊用于將所述電壓信號調理模塊的電壓信號轉換成數字電流信號，所述數字濾波模塊用于對所述數字電流信號進行濾波處理，所述參考電壓源模塊用于產生參考電壓，所述采樣時鐘源模塊用于產生采樣時鐘，所述失調校準模塊用于對所述數字電流信號進行失調校準，所述增益誤差校準模塊用于對所述檢流電阻的阻值偏差以及增益誤差進行校準，所述時序控制模塊用于產生時序控制信號。
[0006]根據本發明的實施例，所述電壓信號調理模塊包括一組邏輯開關，通過所述邏輯開關對所述放電電壓信號、所述充電電壓信號和所述失調電壓信號進行選擇。
[0007]根據本發明的實施例，所述AD轉換模塊包括逐次逼近邏輯模塊、電容和開關陣列以及比較器，所述電容和所述開關陣列與所述比較器的輸入端相連并與所述逐次逼近邏輯模塊相連，所述比較器的輸出端與所述逐次逼近邏輯模塊的輸入端相連。
[0008]根據本發明的實施例，所述采樣時鐘源模塊包括移位寄存器、充電電容和一組PMOS管，所述移位寄存器周期性地改變所述PMOS管與所述充電電容連接的個數。
[0009]根據本發明的實施例，所述失調校準模塊將所述AD轉換模塊輸出的放電電流信號、充電電流信號與失調電流信號進行算術相減，得到失調校準的所述放電電流信號和所述充電電流信號。
[0010]根據本發明的實施例，所述增益誤差校準模塊，在調試時根據從電池抽取的電流值和所述失調校準模塊輸出的放電電流信號計算增益誤差校準碼，實際工作時根據所述增益誤差校準碼對經過失調校準的所述放電電流信號和所述充電電流信號進行增益誤差校準，得到增益誤差校準的所述放電電流信號和所述充電電流信號。
[0011]實施本發明的技術方案，具有以下有益效果:本發明為便攜式電子設備的庫侖計量提供了一種高精度低損耗的電流檢測方案，使得電子設備能夠實時準確地向用戶提供電池剩余電量信息，增強了用戶體驗。本發明技術方案引入的附加功率損耗比較低，對電池的續航時間并不產生顯著的影響。本發明可以應用于手機、平板電腦、多媒體播放器、PDA和數碼照相機、醫療儀器等便攜式電子設備，以及智能充電設備的庫侖計量中，本發明還可以應用于基于開路電壓技術(OCV)的電量計量方法，計算電池內阻的電流檢測過程中，本發明還可以應用于運用平均電流做控制的系統的電流檢測過程中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]下面通過參考附圖并結合實例具體地描述本發明，本發明的優點和實現方式將會更加明顯，其中附圖所示內容僅用于對本發明的解釋說明，而不構成對本發明的任何意義上的限制，在附圖中:
[0013]圖1為本發明電流檢測裝置模塊圖；
[0014]圖2a為本發明電壓信號調理模塊制造正向失調量電路示意圖；
[0015]圖2b為本發明電壓信號調理模塊處理放電電流信號電路示意圖；
[0016]圖2c為本發明電壓信號調理模塊處理充電電流信號電路示意圖；
[0017]圖2d為本發明電壓信號調理模塊處理失調信號電路示意圖；
[0018]圖3為本發明AD轉換模塊的實施例電路圖；
[0019]圖4為本發明采樣時鐘源模塊的實施例電路圖；
[0020]圖5為本發明增益誤差校準模塊實施例流程圖。
【具體實施方式】
[0021]如圖1所示，本發明用于庫侖計量的電流檢測裝置，包括檢流電阻、電壓信號調理模塊、AD轉換模塊、參考電壓源模塊、采樣時鐘源模塊、數字濾波模塊、失調校準模塊、增益誤差校準模塊以及時序控制模塊，所述檢流電阻、所述電壓信號調理模塊、所述AD轉換模塊、所述數字濾波模塊、所述失調校準模塊、所述增益誤差校準模塊依次相連并分別所述時序控制模塊相連，所述參考電壓源模塊、所述采樣時鐘源模塊與所述AD轉換模塊相連并分別所述時序控制模塊相連，所述電壓信號調理模塊用于對所述檢流電阻兩端的放電電壓信號、充電電壓信號和失調電壓信號進行放大，所述AD轉換模塊用于將所述電壓信號調理模塊的電壓信號轉換成數字電流信號，所述數字濾波模塊用于對所述數字電流信號進行濾波處理，所述參考電壓源模塊用于產生參考電壓，所述采樣時鐘源模塊用于產生采樣時鐘，所述失調校準模塊用于對所述數字電流信號進行失調校準，所述增益誤差校準模塊用于對所述檢流電阻的阻值偏差以及增益誤差進行校準，所述時序控制模塊用于產生時序控制信號。
[0022]如圖2、圖3、圖4和圖5所示，本發明用于庫侖計量的電流檢測裝置，采用非相關采樣技術，具有失調自動校準功能和增益誤差校準功能的電流檢測電路，非相關采樣技術的運用，能夠以較低的采樣率精準地捕捉脈動電流的平均值；失調和增益誤差校準機制的引入，使電路能夠實現高精度的電流檢測，從而使得檢流電阻阻值的選取能夠低達幾πιΩ，使其I2R損耗降到相對低的水平。由于電池的工作狀態隨時可能在充電和放電之間切換，而庫侖計量往往無法及時地判斷電流的方向。本發明中，無論電池處在何種工作狀態，電流檢測電路都需要同時獲取放電電流數據和充電電流數據，然后根據兩者之差來得到電池電量的增減變化。因此，電流檢測電路周期性地工作在三個狀態，分別是放電電流檢測、充電電流檢測和失調檢測。本發明包括檢流電阻、電壓信號調理模塊、AD轉換模塊、參考電壓源模塊、采樣時鐘源模塊、數字濾波模塊、失調校準模塊、增益誤差校準模塊以及時序控制模塊。所述檢流電阻，串接在電池充放電的功率通路上，把流進和流出電池的電流轉化成電壓信號。所述電壓信號調理模塊，把檢流電阻兩端微弱的電壓信號進行放大、濾波降噪處理。所述AD轉換模塊，把經過電壓信號調理模塊處理的放電、充電和失調三種電壓信號轉換為數字量，轉換后分別得到放電電流數據DoutO、充電電流數據DinO和電流失調數據DosO。所述參考電壓源模塊，產生參考電壓，作為AD轉換的參考電壓源。所述采樣時鐘源模塊，產生采樣時鐘，控制非相關采樣的頻率。所述數字濾波模塊，把數字信號進行濾波處理，提取信號的平均值。所述失調校準模塊，實現電流檢測初值Doutl/Dinl與失調值Dosl的算術相減，得到消除失調量后的測量值Dout2/Din2。所述增益誤差校準模塊，實現檢流電阻的阻值偏差以及電流檢測中其他增益誤差的校準，得到電流檢測的最終值Dout3/Din3。所述時序控制模塊，是各個模塊控制信號的來源，統籌協調各個模塊的工作。本發明采用的非相關采樣技術，能夠以較低的采樣率精準地捕捉脈動電流的平均值，避免了高速AD轉換電路的需求，有效地節省了功耗。電壓信號調理模塊具有前置濾波功能。復雜的電流波形，例如周期性的電流脈沖，在濾波后其信號能量通常集中在較低的幾個頻率成分上。只要欠采樣的頻率避開這幾個載能頻率及其諧波頻率，并且采樣的次數足夠多，就能夠精確地測量信號的平均值。具體實現上，采樣時鐘源模塊產生的采樣時鐘并不是固定于某一個頻率，而是圍繞一個頻率中心，做展頻波動，適當地選擇展頻的周期和幅度，從而保證采樣頻率不跟載能頻率及其諧波頻率重疊。本發明提出的失調自動校準機制，能夠周期性地消除檢測電路引入的失調量。失調的最主要來源是電壓信號調理模塊結構上的非對稱性以及元器件的失配，并且會隨著電池電壓和溫度的變化而改變。失調的大小和正負具有隨機性。從電路實現方式上，正的失調很容易通過檢測電路獲取，而負的失調則比較難檢測。考慮到這一點，本發明特意在電壓信號調理模塊中制造了正向的失調量，使得隨機失調與其疊加后得到的總體失調永遠為正。本發明提出的增益誤差校準，需要在系統板級組裝完成后，獲取一個增益誤差校準碼值α。具體實施是，在system端經過檢流電阻從電池抽取的某一電流值I，經過數字濾波和失調校準后，檢測電路輸出的最終值為Dout2 ’，根據等式關系I= (l+α ) X Dout2 ’，可以計算出增益誤差校準碼值0，并把校準碼固化到OTP (—次性編程存儲器)中。電路實際工作中，增益誤差校準模塊輸出的每個檢測值都經過等式Dout3=(l+a)XDout2或Din3=(1+a) XDin2計算獲取，從而把檢流電阻的偏差以及檢測電路中其他因素引起的增益誤差消除掉。
[0023]圖2a為制造了正向失調量的電壓信號調理模塊的實施例。本實施例中，忽略運算放大器的失調時，環路反饋使得運算放大器兩輸入端的電壓嚴格相等，從而將檢流電阻Rsense兩端的電壓信號Λ V轉移到電阻Rl或R2上，所產生的電流Ics流經R3，從而把電壓信號Λ V放大R3/R2倍得到電壓信號Vcs。在運算放大器中制造輸入失調電壓Vos，使得Vos和隨機失調的總和恒定為正，從而保證電壓信號Λ V的變化能夠實時反映到Vcs上，AD轉換模塊能夠準確地抓取其電壓值。失調的檢測頻率選擇為電池電流檢測頻率的1/8，從而確保電池電壓和溫度發生改變時，失調量能夠得到及時的刷新。圖2-b為本發明電壓信號調理模塊處理放電電流信號的連接圖，其中開關S2、S5和S6閉合。圖2-c為本發明電壓信號調理模塊處理充電電流信號的連接圖，其中開關S3、S4和S7閉合。圖2-d為本發明電壓信號調理模塊處理失調信號的連接圖，其中開關S1、S5和S6閉合。上述開關的打開和閉合由時序控制模塊的輸出信號控制。
[0024]圖3為本發明AD轉換模塊的實施例。AD轉換模塊選用12位電荷再分布式的逐次逼近(Successive-approximation,簡稱SAR)結構模塊，電容陣列實現采樣保持功能。通過耦合電容Cs把高6位和低6位進行分割，以達到節省電容陣列面積的目的；高4位譯碼成熱溫度碼(T0-T14)，以減小由電容失配引起的非線性誤差。Sclr為對電容兩端進行放電的開關。Ssample為采樣開關。逐次逼近邏輯(SAR logic)產生AD轉換模塊內部的控制信號。
[0025]圖4為帶展頻功能的采樣時鐘源模塊的實施例。通過給電容C充放電來實現振蕩，充電電流的大小以及電容C的尺寸決定了時鐘的頻率。移位寄存器周期性地逐漸改變PMOS管(MO?Mn)與電容連接的個數，可以改變充電電流的大小，從而使得采樣時鐘圍繞一個頻率中心做展頻波動。移位寄存器的長度決定展頻的周期，PMOS管個數的最大變化差值決定展頻的幅度。
[0026]本領域技術人員不脫離本發明的實質和精神，可以有多種變形方案實現本發明，以上所述僅為本發明較佳可行的實施例而已，并非因此局限本發明的權利范圍，凡運用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構變化，均包含于本發明的權利范圍之內。
【權利要求】
1.一種用于庫侖計量的電流檢測裝置，其特征在于:包括檢流電阻、電壓信號調理模±夾、AD轉換模塊、參考電壓源模塊、采樣時鐘源模塊、數字濾波模塊、失調校準模塊、增益誤差校準模塊以及時序控制模塊，所述檢流電阻、所述電壓信號調理模塊、所述AD轉換模塊、所述數字濾波模塊、所述失調校準模塊、所述增益誤差校準模塊依次相連并分別所述時序控制模塊相連，所述參考電壓源模塊、所述采樣時鐘源模塊與所述AD轉換模塊相連并分別所述時序控制模塊相連，所述電壓信號調理模塊用于對所述檢流電阻兩端的放電電壓信號、充電電壓信號和失調電壓信號進行放大，所述AD轉換模塊用于將所述電壓信號調理模塊的電壓信號轉換成數字電流信號，所述數字濾波模塊用于對所述數字電流信號進行濾波處理，所述參考電壓源模塊用于產生參考電壓，所述采樣時鐘源模塊用于產生采樣時鐘，所述失調校準模塊用于對所述數字電流信號進行失調校準，所述增益誤差校準模塊用于對所述檢流電阻的阻值偏差以及增益誤差進行校準，所述時序控制模塊用于產生時序控制信號。
2.根據權利要求1所述的用于庫侖計量的電流檢測裝置，其特征在于:所述電壓信號調理模塊包括一組邏輯開關，通過所述邏輯開關對所述放電電壓信號、所述充電電壓信號和所述失調電壓信號進行選擇。
3.根據權利要求1所述的用于庫侖計量的電流檢測裝置，其特征在于:所述AD轉換模塊包括逐次逼近邏輯模塊、電容和開關陣列以及比較器，所述電容和所述開關陣列與所述比較器的輸入端相連并與所述逐次逼近邏輯模塊相連，所述比較器的輸出端與所述逐次逼近邏輯模塊的輸入端相連。
4.根據權利要求1所述的用于庫侖計量的電流檢測裝置，其特征在于:所述采樣時鐘源模塊包括移位寄存器、充電電容和一組PMOS管，所述移位寄存器周期性地改變所述PMOS管與所述充電電容連接的個數。
5.根據權利要求1所述的用于庫侖計量的電流檢測裝置，其特征在于:所述失調校準模塊將所述AD轉換模塊輸出的放電電流信號、充電電流信號與失調電流信號進行算術相減，得到失調校準的所述放電電流信號和所述充電電流信號。
6.根據權利要求1所述的用于庫侖計量的電流檢測裝置，其特征在于:所述增益誤差校準模塊，在調試時根據從電池抽取的電流值和所述失調校準模塊輸出的放電電流信號計算增益誤差校準碼，實際工作時根據所述增益誤差校準碼對經過失調校準的所述放電電流信號和所述充電電流信號進行增益誤差校準，得到增益誤差校準的所述放電電流信號和所述充電電流信號。
【文檔編號】G01R19/25GK103592508SQ201310648373
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年12月4日 優先權日:2013年12月4日
【發明者】梁源超, 丁然 申請人:珠海全志科技股份有限公司