串联电池组电池电压读出电路
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系统方案 通过变压器和一定的电流 驱动可以将电池电压转换 出来，并将输出与输入隔 离。这种方法优点只需要 较小尺寸的变压器就可以 实现，并且不会带来过大 的功耗。其缺点是检测速 度较慢且准确性会随着温 度变化而变化。 系统框图
2.4 DC/DC Converter(Wagener, 2009)
系统方案 如图所示，通过PWM模式的 DC/DC消除共模电平，并将 电池电压差模信号输出。该 电路的优点在于具有较高的 精度并且随温度等其他因素 产生的漂移较小 系统框图
主流的技术方案
I. 放大器隔离 II. 光耦合隔离 III. 变压器隔离 IV. DC/DC Converter V. 开关电容电荷转移 VI. 电源管理IC
2.1放大器隔离 (Band & Unguris, 1997)
系统方案
将电池电压转换为脉冲宽度调制 （PWM）信号或者其他输出频率 与电池电压相关的脉冲信号并通 过隔离barrier输出. PWM信号则 是通过压控振荡器(VCO)得到 (Meyrath, 2005).输出的PWM信 号通过后级电路解调制就可以还 原差模信号。通过这种方法可以 很好地消除高压共模信号，优势 是精度较高，但是带来的牺牲是 需要多路放大器、调制器等，占 用很大的功耗和面积。
ATMEL (ATA6870) 2009年
ATMEL公司的此款芯 片（2009）从图中我 们可以看到其内部结 构，该芯片采用多路 ADC的方案对每节电 池进行测量，然后经 过数字电平转换将测 量出的电压值输入到 逻辑控制单元
LTC (LTC6803) 2011年
该款芯片是LINEAR公 司生产的LTC6803，此 款芯片通过多路选择 器将每节电池电压选 择并输入到ADC之中， ADC采用的是高精度的 △ΣADC，通过其滤波 器抑制了噪声
1.2研究意义
电池组单元电池检测的重要性基于：
1.判断电池组的整体输出电压是否满足供电要求
2.在电池组输出电流或者充电时判断其中每一节电池是 否欠压或过充（二者均会影响电池寿命） 3.精准的测量有助于人为控制电池的充放电均衡系统
二、国内外研究发展及现状
通过变压器等分立元件在电路板上实现电池组电压的 测量。 随着IC行业的发展，芯片的普及，各个公司纷纷推出 自己的系统解决方案，其中大量用到ADC，运算放大 器等集成芯片。 发展至今天，IC的集成度提高，片上系统（SOC）的 普及，单单靠片外系统已经无法满足用户要求。 LINEAR、Maxim、TI等纷纷推出自己的电源管理芯片， 通过一颗芯片或者多组芯片的串联实现电池组电压检 测、温度检测、电流检测等多项功能。其中IC内部电 池组单元电压检测电路成为研究的热门。
CLOCK1 CLOCK2 CLOCK1
CLOCK3
CLOCK2
CLOCK4
CLOCK3
系统框图
2.6世界知名公司的IC设计
Maxim (MAX11068)
ATMEL (ATA6870) LTC (LTC6803)
Maxim (MAX11068) 2007年
左图为Maxim公司的此 款芯片（2008）结构图， 从图中我们可以看到其 内部结构，转换触排 （switch bank）作为一 种高压多路选择器使用， 经过仪表放大器的处理， 最后输入ADC之中进行 检测，该系统可以同时 测量十二节串联电池电 压。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
系统框图
2.2光耦合隔离(Band&Unguris,1997)
系统方案
通过发光二极管将电学信号转化为 光学信号，在通过光耦合的方法将 光信号转换为电压信号并输出。这 种方法的优点是最为经济，比起电 压转换器等电路耗费更少的器件， 但是缺点是消耗较高的电流且不易 集成。
系统框图
2.3变压器隔离(Williams & Thoren, 2008)
3.1 电池组电压读出电路系统框图
该设计采用多路开关进 行选择，对N节电池采 用N个周期进行测量， 每个周期将开启一节电 池的采样开关（如图中 所示，采集第一节电池 电压时CLOCK1开关闭合， 其他开关断开），这时 第一节电池电压将会通 过共模电平消除电路消 除共模电平并输入后级 电路进一步处理。每个 采样周期共模消除电路 工作一次，避免使用多 路时的浪费
电池组单元电压检测系统研究
天津大学IC设计中心 王君
目录
研究背景及意义 相关研究发展与现状 项目设计 进一步工作 参考文献
1.1研究背景
汽车、航天电子、电池动力汽车， 持 续供电设备还有通信设备 大多需要串联电 池组作为供电电源。电池组可能包含许多 个小型电池单元， 以此来获得数百伏特的 供电电压。在电池组供电系统中,我们希望 能够准确地测量出每个小单元电池的电压， 并通过充放电精确控制每节电池的电压， 以延长电池使用寿命。测量电池组单元电 压的关键技术在于消除高压共模信号 （common mode voltage），读出低压差 模信号（different mode voltage）。这样 很好地将输入输出隔离开，避免后级电路 直接接受高压信号
2.5 开关电容电压转移（LINEAR 2007）
系统方案
如图所示，通过一个开关电容的 方法也可以消除共模电平并测量 出单元电池电压。开关时钟控制 电容交替地与电池输入端口和缓 冲器连接，这样将输入电压转移 至缓冲器的输入节点，在一定周 期之后，缓冲器输入端的输入电 容会被充满，电压值等同于电池 输入电压。这种方法可以很好地 消除电池电压的共模电平，但是 带来的问题是需要高压驱动电路 驱动开关电容的开关，此外，电 容的寄生效应会导致输出电压的 精度下降。
三、项目设计
设计电池组单元电压独处电路，应用于电池组 电压检测系统中。该设计不同于上述方法，采用 多路开关选择，单个共模电平消除模块复用的方 法将电池电压的共模电平消除，成功采集出差模 电压，并交由后级电路处理。方案的优点在于复 用的结构叫前面的电路更节省功耗和面积，并且 在电路中加入消除失调结构增加系统的精确性， 共模消除电路中全差分OTA的运用增加了系统的共 模抑制比。下面将分别对系统框图和共模电平消 除的方法加以介绍。
2.4 DC/DC Converter(Wagener, 2009)
系统方案 如图所示，通过PWM模式的 DC/DC消除共模电平，并将 电池电压差模信号输出。该 电路的优点在于具有较高的 精度并且随温度等其他因素 产生的漂移较小 系统框图
主流的技术方案
I. 放大器隔离 II. 光耦合隔离 III. 变压器隔离 IV. DC/DC Converter V. 开关电容电荷转移 VI. 电源管理IC
2.1放大器隔离 (Band & Unguris, 1997)
系统方案
将电池电压转换为脉冲宽度调制 （PWM）信号或者其他输出频率 与电池电压相关的脉冲信号并通 过隔离barrier输出. PWM信号则 是通过压控振荡器(VCO)得到 (Meyrath, 2005).输出的PWM信 号通过后级电路解调制就可以还 原差模信号。通过这种方法可以 很好地消除高压共模信号，优势 是精度较高，但是带来的牺牲是 需要多路放大器、调制器等，占 用很大的功耗和面积。
ATMEL (ATA6870) 2009年
ATMEL公司的此款芯 片（2009）从图中我 们可以看到其内部结 构，该芯片采用多路 ADC的方案对每节电 池进行测量，然后经 过数字电平转换将测 量出的电压值输入到 逻辑控制单元
LTC (LTC6803) 2011年
该款芯片是LINEAR公 司生产的LTC6803，此 款芯片通过多路选择 器将每节电池电压选 择并输入到ADC之中， ADC采用的是高精度的 △ΣADC，通过其滤波 器抑制了噪声
1.2研究意义
电池组单元电池检测的重要性基于：
1.判断电池组的整体输出电压是否满足供电要求
2.在电池组输出电流或者充电时判断其中每一节电池是 否欠压或过充（二者均会影响电池寿命） 3.精准的测量有助于人为控制电池的充放电均衡系统
二、国内外研究发展及现状
通过变压器等分立元件在电路板上实现电池组电压的 测量。 随着IC行业的发展，芯片的普及，各个公司纷纷推出 自己的系统解决方案，其中大量用到ADC，运算放大 器等集成芯片。 发展至今天，IC的集成度提高，片上系统（SOC）的 普及，单单靠片外系统已经无法满足用户要求。 LINEAR、Maxim、TI等纷纷推出自己的电源管理芯片， 通过一颗芯片或者多组芯片的串联实现电池组电压检 测、温度检测、电流检测等多项功能。其中IC内部电 池组单元电压检测电路成为研究的热门。
CLOCK1 CLOCK2 CLOCK1
CLOCK3
CLOCK2
CLOCK4
CLOCK3
系统框图
2.6世界知名公司的IC设计
Maxim (MAX11068)
ATMEL (ATA6870) LTC (LTC6803)
Maxim (MAX11068) 2007年
左图为Maxim公司的此 款芯片（2008）结构图， 从图中我们可以看到其 内部结构，转换触排 （switch bank）作为一 种高压多路选择器使用， 经过仪表放大器的处理， 最后输入ADC之中进行 检测，该系统可以同时 测量十二节串联电池电 压。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
系统框图
2.2光耦合隔离(Band&Unguris,1997)
系统方案
通过发光二极管将电学信号转化为 光学信号，在通过光耦合的方法将 光信号转换为电压信号并输出。这 种方法的优点是最为经济，比起电 压转换器等电路耗费更少的器件， 但是缺点是消耗较高的电流且不易 集成。
系统框图
2.3变压器隔离(Williams & Thoren, 2008)
3.1 电池组电压读出电路系统框图
该设计采用多路开关进 行选择，对N节电池采 用N个周期进行测量， 每个周期将开启一节电 池的采样开关（如图中 所示，采集第一节电池 电压时CLOCK1开关闭合， 其他开关断开），这时 第一节电池电压将会通 过共模电平消除电路消 除共模电平并输入后级 电路进一步处理。每个 采样周期共模消除电路 工作一次，避免使用多 路时的浪费
电池组单元电压检测系统研究
天津大学IC设计中心 王君
目录
研究背景及意义 相关研究发展与现状 项目设计 进一步工作 参考文献
1.1研究背景
汽车、航天电子、电池动力汽车， 持 续供电设备还有通信设备 大多需要串联电 池组作为供电电源。电池组可能包含许多 个小型电池单元， 以此来获得数百伏特的 供电电压。在电池组供电系统中,我们希望 能够准确地测量出每个小单元电池的电压， 并通过充放电精确控制每节电池的电压， 以延长电池使用寿命。测量电池组单元电 压的关键技术在于消除高压共模信号 （common mode voltage），读出低压差 模信号（different mode voltage）。这样 很好地将输入输出隔离开，避免后级电路 直接接受高压信号
2.5 开关电容电压转移（LINEAR 2007）
系统方案
如图所示，通过一个开关电容的 方法也可以消除共模电平并测量 出单元电池电压。开关时钟控制 电容交替地与电池输入端口和缓 冲器连接，这样将输入电压转移 至缓冲器的输入节点，在一定周 期之后，缓冲器输入端的输入电 容会被充满，电压值等同于电池 输入电压。这种方法可以很好地 消除电池电压的共模电平，但是 带来的问题是需要高压驱动电路 驱动开关电容的开关，此外，电 容的寄生效应会导致输出电压的 精度下降。
三、项目设计
设计电池组单元电压独处电路，应用于电池组 电压检测系统中。该设计不同于上述方法，采用 多路开关选择，单个共模电平消除模块复用的方 法将电池电压的共模电平消除，成功采集出差模 电压，并交由后级电路处理。方案的优点在于复 用的结构叫前面的电路更节省功耗和面积，并且 在电路中加入消除失调结构增加系统的精确性， 共模消除电路中全差分OTA的运用增加了系统的共 模抑制比。下面将分别对系统框图和共模电平消 除的方法加以介绍。