高壓電池控制系統及其高電壓側的升壓控制電路的制作方法

本發明涉及一種高壓電池控制系統及其高電壓側的升壓控制電路，特別涉及一種其中至少部分電路的操作電壓范圍可介于電池電壓以及高壓側參考電位電壓所形成的第一低電壓電源軌之間，如此可以使用耐壓較低的電子元件來構建該些部分電路的高壓電池控制系統及其高電壓側的升壓控制電路。

背景技術：

1、圖1顯示一種現有技術高壓電池控制系統1的升壓控制電路10，其中升壓控制電路10耦接于高壓電池控制系統1的電池電壓引腳bat與提升電壓引腳cpo。升壓控制電路10用以提供提升電壓vcpo于提升電壓引腳cpo，以使高壓電池控制系統1導通或關斷高壓電池控制系統1的金屬氧化物半導體場效晶體管(metal?oxide?semiconductor?field?effecttransistor，mosfet)，進而控制充/放電電流，以決定是否對高壓電池執行充/放電的操作。高壓電池具有電池電壓側，其為高電壓側。升壓控制電路10包含線性穩壓器11、升壓電路12、振幅位準轉換器13與升壓電容cp。

2、具有高電壓的電池電壓vbat與接地電位gnd形成電池高電壓電源軌，以供應電源給線性穩壓器11，也就是說線性穩壓器11受電于電池高電壓電源軌，其中電池電壓vbat與電池高電壓電源軌例如為60v(相對于接地電位gnd)。線性穩壓器11線性轉換電池電壓vbat為電壓v1，其中電壓v1為低電壓，例如為5v(相對于接地電位gnd)，用以輸入升壓電路12。升壓電路12受電于由低電壓vdd與接地電位gnd所形成的接地低電壓電源軌。升壓電路12將電壓v1(例如為5v)升壓到電壓v2(例如為12v)，以輸入至振幅位準轉換器13。其中，接地低電壓電源軌例如由5v電壓與接地電位gnd形成。振幅位準轉換器13受電于由電壓v2與接地電位gnd所形成的位準轉換高電壓電源軌。振幅位準轉換器13接收電壓v2與頻率信號clk1，以將振幅為電壓v1(例如為5v)的頻率信號clk1，轉換成振幅為電壓v2(例如為12v)的頻率信號clk2，用以對升壓電容cp充/放電。因此，節點vx的電壓波型會是一個方波振蕩信號，切換于電池電壓vbat與電池電壓vbat加上電壓v2(例如為12v)之間。然后通過右邊的二極管d1，對外部電容cl充電，以使提升電壓引腳cpo的提升電壓vcpo自電池電壓vbat升高至足以操作高壓電池控制系統1的mosfet，而供應給高壓電池控制系統1的開關控制系統，以決定導通/關斷高壓電池控制系統1的mosfet。

3、所謂的低電壓，主要是針對數字或模擬電路中，非用以直接對功率操作的電壓，低電壓通常指的是能夠支持數字電路或模擬電路正常運作的最低電壓范圍。這些電壓范圍通常較低，因為數字電路或模擬電路的設計旨在最小化功耗，同時保持高速運作。就低電壓的典型值而言，在現代數字電路中，低電壓操作范圍可以從幾百毫伏(mv)到幾伏特(v)。例如，一些應用可能使用5v、3v、1.8v、1.2v，甚至更低的操作電壓。

4、而所謂的高電壓，主要是針對功率電路中的操作電壓，高電壓指的是該功率電路設計用于處理或控制的電壓范圍。這些功率電路通常用于電力轉換、驅動大電流負載等應用，因此它們的操作電壓相對較高。就高電壓的典型值而言，功率電路的高電壓操作范圍可能從幾伏特(v)到數百伏特(v)不等。例如，一些功耗應用可能使用12v、15v、60v、120v、33kv等，在一些應用中，如電動汽車的電池管理系統或大型電源供應器，這個范圍甚至可能更高。

5、隨著半導體技術的進步，低電壓和高電壓的定義也在不斷變化。例如，隨著制程技術的發展，數字電路的操作電壓持續下降，而功率電路則在提高效率和可靠性的同時，也在不斷擴大其可處理的電壓范圍。

6、現有技術升壓控制電路10的缺點至少包含以下兩點：

7、1.升壓控制電路10為開回路電路，并未感測提升電壓vcpo，因此升壓控制電路10將保持持續性的操作，造成電能損耗過高；如果不需要保持提供高電壓的提升電壓vcpo，例如需要將提升電壓vcpo從12v降至5v，則需要額外的電路，才能控制提升電壓vcpo的位準。

8、2.由于振幅為電壓v2(例如為12v)的頻率信號clk2為高電壓，因此振幅位準轉換器13需采用高耐壓元件(例如12v)；此外，升壓電容cp需為更高耐壓的元件(例如60v)，因此，此現有技術的電路的成本較高且尺寸較大。

9、有鑒于此，本發明提出一種高壓電池控制系統及其高電壓側的升壓控制電路，可使用低壓元件實施，達到節省集成電路芯片面積并可以降低電能損耗的效果；此外，本發明的高壓電池控制系統及其高電壓側的升壓控制電路，通過感測提升電壓vcpo，并通過反饋控制方式適應性調整電路操作，以達到提高應用范圍并且省電的功能。

技術實現思路

1、于一觀點中，本發明提供了一種應用于高壓電池控制系統高電壓側的升壓控制電路，包含：一線性穩壓電路，受電于一電池電壓與一接地電位所形成的一第一高電壓電源軌，用以產生一高電壓側參考接地電位；一升壓電路，受電于該電池電壓與該高電壓側參考接地電位所形成的一第一低電壓電源軌，用以根據一升壓使能信號而將該第一低電壓電源軌轉換為由一提升電壓與該高電壓側參考接地電位所形成的一第二高電壓電源軌，并將該提升電壓調節于一預設目標電壓；一反饋信號產生電路，受電于該第一低電壓電源軌，用以根據該提升電壓而產生一反饋電壓；以及一比較電路，受電于該第一低電壓電源軌，用以比較該反饋電壓與一參考電壓，以產生該升壓使能信號；其中該電池電壓高于該升壓電路、該反饋信號產生電路與該比較電路中至少一元件的耐壓；其中該第一高電壓電源軌的電壓差高于該第一低電壓電源軌的電壓差；其中該第二高電壓電源軌的電壓差高于該第一低電壓電源軌的電壓差；其中該提升電壓高于該電池電壓。

2、于另一觀點中，本發明提供了一種高壓電池控制系統，包含：一升壓控制電路，包括：一線性穩壓電路，受電于一電池電壓與一接地電位所形成的一第一高電壓電源軌，用以產生一高電壓側參考接地電位；一升壓電路，受電于該電池電壓與該高電壓側參考接地電位所形成的一第一低電壓電源軌，用以根據一升壓使能信號而將該第一低電壓電源軌轉換為由一提升電壓與該高電壓側參考接地電位所形成的一第二高電壓電源軌，并將該提升電壓調節于一預設目標電壓；一反饋信號產生電路，受電于該第一低電壓電源軌，用以根據該提升電壓而產生一反饋電壓；以及一比較電路，受電于該第一低電壓電源軌，用以比較該反饋電壓與一參考電壓，以產生該升壓使能信號；其中該電池電壓高于該升壓電路、該反饋信號產生電路與該比較電路中至少一元件的耐壓；其中該第一高電壓電源軌的電壓差高于該第一低電壓電源軌的電壓差；其中該第二高電壓電源軌的電壓差高于該第一低電壓電源軌的電壓差；其中該提升電壓高于該電池電壓；一金屬氧化物半導體場效晶體管(metaloxide?semiconductor?field?effect?transistor，mosfet)單元，包括一充電mosfet與一放電mosfet串接于該電池電壓與一電池封包電壓之間；以及一開關控制電路，受電于該第二高壓電源軌，用以根據一開關控制信號，控制該充電mosfet與該放電mosfet，而控制一充/放電電流，以決定對一高壓電池充/放電。

3、于一實施例中，該升壓電路包括一倍壓電路，用以在該升壓電路被使能且于開回路狀態下，以一n倍數轉換，將該第一低電壓電源軌轉換為一n倍電壓電源軌，其中該n倍電壓電源軌的電壓差為該第一低電壓電源軌的電壓差的n倍，其中n為大于1的實數。

4、于一實施例中，該反饋信號產生電路包括一位準位移電路，用以將該提升電壓的位準，位移一第一預設位準后產生該反饋電壓。

5、于一實施例中，該反饋信號產生電路包括一分壓電路，用以取得該提升電壓的分壓后產生該反饋電壓。

6、于一實施例中，該預設目標電壓包括一上限目標電壓與一下限預設目標電壓，其中該比較電路包括具有磁滯功能的一磁滯比較電路，且該磁滯比較電路用以比較該反饋電壓與預設的一上限參考電壓與一下限參考電壓，當該反饋電壓超出該上限參考電壓或低于該下限參考電壓時，該磁滯比較電路通過磁滯控制機制，動態調整該升壓使能信號的狀態，進而使能或禁止該升壓電路，以將該提升電壓調節于該上限預設目標電壓與該下限預設目標電壓之間，其中該上限預設目標電壓與該下限預設目標電壓分別對應于該上限參考電壓與該下限參考電壓的其一及另一。

7、于一實施例中，該磁滯比較電路包括：一上限比較器，用以比較該反饋電壓與該上限參考電壓，而產生一上限比較結果；一下限比較器，用以比較該反饋電壓與該下限參考電壓，而產生一下限比較結果；以及一邏輯電路，用以根據該上限比較結果與該下限比較結果，通過磁滯控制機制，動態調整該升壓使能信號的狀態。

8、于一實施例中，該磁滯比較電路還包括：一上限偏置電路，用以于該第一低電壓電源軌中提供該上限參考電壓給該上限比較器；以及一下限偏置電路，用以于該第一低電壓電源軌中提供該下限參考電壓給該下限比較器。

9、于一實施例中，該線性穩壓電路包括：一高電壓側差動電壓輸入級電路，受電于該第一高電壓電源軌，用以根據一預設參考電壓與該高電壓側參考接地電位的差值而產生一差動電流對；一低電壓側增益級電路，受電于一第二低電壓電源軌，具有一轉阻，用以轉換該差動電流對而產生一轉阻輸出電壓；以及一輸出放大級電路，受電于該第一高電壓電源軌，用以放大該轉阻輸出電壓而產生該高電壓側參考接地電位；其中該線性穩壓電路根據該預設參考電壓與該高電壓側參考接地電位的差值，調節該高電壓側參考接地電位至一預設參考接地目標電位；其中該第一高電壓電源軌的電壓差高于該第二低電壓電源軌的電壓差至少2倍。

10、于一實施例中，該開關控制電路包括：一充電mosfet驅動電路，用以根據該開關控制信號，將該充電mosfet的柵極切換至該提升電壓或該電池電壓以對應導通或關斷該充電mosfet；以及一放電mosfet驅動電路，用以根據該開關控制信號，將該放電mosfet的柵極切換至該提升電壓或一電池封包電壓以對應導通或關斷該放電mosfet。

11、本發明的優點為本發明的電路設計使得部分電路的操作電壓范圍能夠介于電池電壓和高電壓側參考電位之間。這種設計允許使用耐壓較低的電子元件來構建高壓電池控制系統其中的升壓控制電路，進而減少電路面積并降低制造成本；此外，現有技術的高壓側電荷泵控制電路并無反饋控制，故無法準確控制電荷泵的輸出電壓值而造成元件過壓風險，或是需要應用更高耐壓的元件來設計電路，增加成本；而本發明對高壓側電荷泵進行反饋控制，從而不僅降低了系統成本，也增強了系統的適應性和可靠性。

12、以下通過具體實施例詳加說明，以更容易了解本發明的目的、技術內容、特點及其所實現的效果。