一種用于電池管理系統(tǒng)的高壓多路選擇器

李明明 ，潘文光

(1.中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029；2.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049；3.南京中科微電子有限公司，江蘇 南京 210018)

0 引言

高壓電池管理系統(tǒng)在許多場合都有應(yīng)用，例如新能源汽車為了獲取足夠的動(dòng)力，往往需要串聯(lián)成百上千節(jié)電池[1-2]；大型電網(wǎng)的儲(chǔ)能也需要串聯(lián)許多的電池組。如此多的電池難免會(huì)存在電池之間的不匹配、不均衡，可能引起電池爆炸等安全隱患[1，3]，這就需要電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)能夠?qū)崟r(shí)檢測每節(jié)電池的電壓狀態(tài)[4]。

在電池電壓的采集結(jié)構(gòu)中，通常使用由高壓開關(guān)組成的高壓多路選擇器將每節(jié)電池的電壓傳遞到后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter，ADC)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。如何降低高壓多路選擇器對電池信號(hào)的電壓損耗一直是研究的熱點(diǎn)，不少學(xué)者針對BMS 系統(tǒng)的高壓多路選擇器提出了許多新穎的高壓開關(guān)[5-15]，但是這些高壓開關(guān)的控制信號(hào)會(huì)對信號(hào)源引入輕微的漏電流，影響電池電壓檢測精度。

為了降低漏電流，進(jìn)一步提高電壓檢測精度，本文設(shè)計(jì)了一種新型柵極驅(qū)動(dòng)型高壓開關(guān)，并采用0.5 μm 40 V BCD 工藝，搭建一個(gè)7 路高壓多路選擇器進(jìn)行了后仿真驗(yàn)證。設(shè)計(jì)的電路已經(jīng)遞交工藝廠進(jìn)行流片。

1 原理分析與設(shè)計(jì)

1.1 電池電壓采集結(jié)構(gòu)

圖1 是BMS 系統(tǒng)經(jīng)典的3 種電池電壓采集結(jié)構(gòu)[5]，圖1(a)是每一個(gè)電池配置了一個(gè)ADC，該結(jié)構(gòu)避免了高壓輸入問題，但是ADC 數(shù)量較多，面積和功耗較大，同時(shí)ADC 之間存在不匹配，影響檢測精度。圖1(b)和圖1(c)是廣泛使用的結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)都使用了高壓多路選擇器，大大減少了ADC 的數(shù)量，節(jié)省了面積和功耗。

圖1(b)使用的是高壓ADC，可以直接接入比較高的共模電平，但是相比低壓ADC 增加了電路復(fù)雜度；圖1(c)額外加了一級電平轉(zhuǎn)移減法器，用于將高壓共模電平轉(zhuǎn)換為低壓，進(jìn)而可以直接使用經(jīng)典的低壓ADC。

圖1(b)和(c)的電池電壓采集電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于降低高壓多路選擇器對電池信號(hào)的電壓損耗。

圖1 經(jīng)典的電池電壓采集結(jié)構(gòu)

1.2 高壓開關(guān)設(shè)計(jì)

對于高壓半導(dǎo)體工藝來說，MOS 器件的柵源電壓一般限制在5 V，并且多路選擇器的輸入電壓較高。為了提高開關(guān)的輸入范圍和線性度，高壓開關(guān)的柵極控制信號(hào)應(yīng)隨輸入信號(hào)自舉，保持柵源電壓基本不變。傳統(tǒng)的低壓傳輸門開關(guān)柵極電壓固定[16]，并不能直接用于高壓多路選擇器。為了降低高壓開關(guān)柵極控制電路的設(shè)計(jì)難度，高壓開關(guān)電路往往全部使用PMOS 或者NMOS 組成開關(guān)管。圖2 給出了幾種學(xué)者設(shè)計(jì)的高壓開關(guān)。

圖2(a)的開關(guān)由一個(gè)PMOS 管組成[7]，該結(jié)構(gòu)較為簡單，通過Vs控制N1 即可實(shí)現(xiàn)開關(guān)的關(guān)斷與閉合，但是由于襯底二極管效應(yīng)，該開關(guān)無法直接級聯(lián)，需要配合后續(xù)電路才能級聯(lián)，同時(shí)存在漏電流。

圖2(b)的開關(guān)采用了2 個(gè)PMOS 管互補(bǔ)連接[9]，使襯底二極管反偏連接，提高了隔離度。但是柵極驅(qū)動(dòng)電路與電池輸入Vbat_inX直接連接，節(jié)點(diǎn)VX最大有效電壓為Vbat_inX，導(dǎo)致無法級聯(lián)，并且存在漏電流。

圖2 高壓開關(guān)類型

圖2(c)的開關(guān)[5，8]采用了2 個(gè)PMOS 管互補(bǔ)連接，高壓柵極驅(qū)動(dòng)器(HV Gate Voltage Driver，HVGVD)的結(jié)構(gòu)與圖2(b)結(jié)構(gòu)類似，由兩個(gè)電阻組成，用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)管柵極。電平轉(zhuǎn)換器(Buck Converter)用于產(chǎn)生比VX低5 V的電平，確保開關(guān)管柵源電壓在安全范圍。該結(jié)構(gòu)的開關(guān)可以級聯(lián)，但是其柵極驅(qū)動(dòng)電路與圖2(b)一樣存在阻性負(fù)載，會(huì)引入漏電流，同時(shí)該電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

在電池電壓采集鏈路中，由于存在導(dǎo)線的寄生電阻和系統(tǒng)外圍的濾波電阻，漏電流的存在會(huì)產(chǎn)生電壓損耗，影響檢測精度。

為了降低漏電流，提高檢測精度，本文改進(jìn)了柵極驅(qū)動(dòng)方式，采用了源級跟隨器的柵極作為輸入，將柵極驅(qū)動(dòng)電路與電池信號(hào)源進(jìn)行了隔離，消除了柵極驅(qū)動(dòng)電路對信號(hào)源的漏電流；同時(shí)為了使開關(guān)可以直接級聯(lián)，方便使用，采用了兩個(gè)NMOS 開關(guān)管互補(bǔ)連接，將開關(guān)管的漏端連接在一起，使襯底二極管相互反偏。設(shè)計(jì)的新型柵極驅(qū)動(dòng)型高壓開關(guān)電路如圖3 所示。

圖3 高壓開關(guān)電路

其中，MOS管P1～P6用來提供偏置電流，MOS管N1、N4與尾電流源組成了源極跟隨器，二極管D3、D4用于保護(hù)N1、N4 柵極和源極避免被瞬態(tài)電壓擊穿。電阻R3用于實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)移，二極管D1、D2 用于限制電阻R3瞬態(tài)電壓，從而對開關(guān)管N2、N3 的柵極起到保護(hù)作用。開關(guān)管N2、N3 采用互補(bǔ)連接，D5、D6 是寄生二極管。

當(dāng)Is=0 時(shí)，電阻R3不產(chǎn)生壓降，節(jié)點(diǎn)Vgate2與節(jié)點(diǎn)VX1電壓相同，節(jié)點(diǎn)Vgate3與節(jié)點(diǎn)VX4電壓相同，此時(shí)提供給N2 和N3 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓為：

此時(shí)N2 和N3 的柵源電壓為VGS=-Vth<0，開關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài)，高壓開關(guān)關(guān)閉。

當(dāng)Is為開啟電流時(shí)，電阻R3會(huì)產(chǎn)生壓降，此時(shí)提供給N2 和N3 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓為：

此時(shí)N2 和N3 的柵源電壓VGS為：

根據(jù)式(3)可以推出電流Is的取值范圍：

根據(jù)式(3)、式(4)可知，合理選擇電阻R3和Is的值即可保證開關(guān)管的柵源電壓小于5 V，同時(shí)大于開啟電壓，使開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)開關(guān)進(jìn)行級聯(lián)時(shí)，Vbat_in與電池相連，Vout相互連接在一起，如圖4 所示。

圖4 高壓開關(guān)級聯(lián)示意圖

以中間電位開關(guān)S_M 為例，當(dāng)S_M打開時(shí)，N3、N4導(dǎo)通，N1、N2、N5、N6 關(guān)閉，Vout=Vbat_M，此時(shí)VX1比Vout高，VX5比Vbat_L高，襯底二極管D2 和D5 處于反偏狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生電池間串?dāng)_電流。

同理，當(dāng)高位開關(guān)S_H 和低電位開關(guān)S_L 打開時(shí)，都有相應(yīng)的襯底二極管反偏，不會(huì)產(chǎn)生電池間的串?dāng)_電流。設(shè)計(jì)的高壓開關(guān)可以直接級聯(lián)。

1.3 7：2 多路選擇器

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的高壓開關(guān)性能，采用0.5 μm 40 V BCD 工藝搭建了一個(gè)7:2 多路選擇器，圖5 是高壓多路選擇器的應(yīng)用原理圖。

圖5 高壓多路選擇器應(yīng)用電路

高壓多路選擇器直接與電池相連，根據(jù)總線控制信號(hào)S[1～7]，分別選通電池C1～C7的正極和負(fù)極，減法器電路用于實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)移，將電池高壓共模電平轉(zhuǎn)換為適合ADC 輸入的范圍，減法器電路也采用了柵極輸入，降低整個(gè)傳輸鏈路的靜態(tài)電流，進(jìn)而降低電壓損耗。

最后由ADC 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電池電壓信號(hào)的測量功能。

2 后仿真結(jié)果與版圖設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高壓多路選擇器采用0.5 μm 40 V BCD工藝完成設(shè)計(jì)與版圖布局，其整體布局如圖6 所示，整體芯片面積為1.2 mm×1.5 mm。

圖6 整體版圖設(shè)計(jì)

圖7 是高壓開關(guān)的隔離度仿真曲線，仿真結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的高壓開關(guān)在1 MHz 頻率隔離度為-47 dB，具有較好的隔離特性。

圖7 高壓開關(guān)隔離度

將高壓多路選擇器連接7 節(jié)電池，單節(jié)電池電壓為5 V。隨著總線控制信號(hào)S[1～7]的變化，高壓多路選擇器有序地選擇每節(jié)電池的正極和負(fù)極，然后進(jìn)行時(shí)域仿真，得到結(jié)果如圖8 所示。

圖8 高壓多路選擇器仿真

圖中從左到右分別是多路選擇器選通電池C1～C7的仿真結(jié)果，圖中灰色虛線是節(jié)點(diǎn)Vout_n的電壓，灰色實(shí)線是節(jié)點(diǎn)Vout_p的電壓，黑色實(shí)線是兩者的差分電壓。從圖中可以看出設(shè)計(jì)的電路具有良好的工作特性，可以有效地傳遞電池差分電壓。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型柵極驅(qū)動(dòng)型高壓開關(guān)，該高壓開關(guān)柵極控制信號(hào)不對電池信號(hào)源引入漏電流，可直接級聯(lián)。并用0.5 μm 40 V BCD 工藝，搭建一個(gè)7：2 高壓多路選擇器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，電路版圖面積為1.2 mm×1.5 mm，后仿真結(jié)果表明多路選擇器可以根據(jù)總線控制信號(hào)選通不同的電池通道，具有良好的工作特性。高壓開關(guān)在1 MHz 的隔離度為-47 dB，設(shè)計(jì)的電路滿足應(yīng)用需求。

由于芯片處于流片中，本文目前并沒有實(shí)測結(jié)果，后續(xù)將進(jìn)行實(shí)物測試，進(jìn)一步深入研究。