一種用于電池管理系統的高壓多路選擇器

李明明 ，潘文光

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

0 引言

高壓電池管理系統在許多場合都有應用，例如新能源汽車為了獲取足夠的動力，往往需要串聯成百上千節電池[1-2]；大型電網的儲能也需要串聯許多的電池組。如此多的電池難免會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(Battery Management System，BMS)能夠實時檢測每節電池的電壓狀態[4]。

在電池電壓的采集結構中，通常使用由高壓開關組成的高壓多路選擇器將每節電池的電壓傳遞到后續模數轉換器(Analog to Digital Converter，ADC)進行模數轉換。如何降低高壓多路選擇器對電池信號的電壓損耗一直是研究的熱點，不少學者針對BMS 系統的高壓多路選擇器提出了許多新穎的高壓開關[5-15]，但是這些高壓開關的控制信號會對信號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，進一步提高電壓檢測精度，本文設計了一種新型柵極驅動型高壓開關，并采用0.5 μm 40 V BCD 工藝，搭建一個7 路高壓多路選擇器進行了后仿真驗證。設計的電路已經遞交工藝廠進行流片。

1 原理分析與設計

1.1 電池電壓采集結構

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

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 增加了電路復雜度；圖1(c)額外加了一級電平轉移減法器，用于將高壓共模電平轉換為低壓，進而可以直接使用經典的低壓ADC。

圖1(b)和(c)的電池電壓采集電路設計的關鍵點在于降低高壓多路選擇器對電池信號的電壓損耗。

圖1 經典的電池電壓采集結構

1.2 高壓開關設計

對于高壓半導體工藝來說，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。為了提高開關的輸入范圍和線性度，高壓開關的柵極控制信號應隨輸入信號自舉，保持柵源電壓基本不變。傳統的低壓傳輸門開關柵極電壓固定[16]，并不能直接用于高壓多路選擇器。為了降低高壓開關柵極控制電路的設計難度，高壓開關電路往往全部使用PMOS 或者NMOS 組成開關管。圖2 給出了幾種學者設計的高壓開關。

圖2(a)的開關由一個PMOS 管組成[7]，該結構較為簡單，通過Vs控制N1 即可實現開關的關斷與閉合，但是由于襯底二極管效應，該開關無法直接級聯，需要配合后續電路才能級聯，同時存在漏電流。

圖2(b)的開關采用了2 個PMOS 管互補連接[9]，使襯底二極管反偏連接，提高了隔離度。但是柵極驅動電路與電池輸入Vbat_inX直接連接，節點VX最大有效電壓為Vbat_inX，導致無法級聯，并且存在漏電流。

圖2 高壓開關類型

圖2(c)的開關[5，8]采用了2 個PMOS 管互補連接，高壓柵極驅動器(HV Gate Voltage Driver，HVGVD)的結構與圖2(b)結構類似，由兩個電阻組成，用于驅動開關管柵極。電平轉換器(Buck Converter)用于產生比VX低5 V的電平，確保開關管柵源電壓在安全范圍。該結構的開關可以級聯，但是其柵極驅動電路與圖2(b)一樣存在阻性負載，會引入漏電流，同時該電路結構比較復雜。

在電池電壓采集鏈路中，由于存在導線的寄生電阻和系統外圍的濾波電阻，漏電流的存在會產生電壓損耗，影響檢測精度。

為了降低漏電流，提高檢測精度，本文改進了柵極驅動方式，采用了源級跟隨器的柵極作為輸入，將柵極驅動電路與電池信號源進行了隔離，消除了柵極驅動電路對信號源的漏電流；同時為了使開關可以直接級聯，方便使用，采用了兩個NMOS 開關管互補連接，將開關管的漏端連接在一起，使襯底二極管相互反偏。設計的新型柵極驅動型高壓開關電路如圖3 所示。

圖3 高壓開關電路

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N1、N4 柵極和源極避免被瞬態電壓擊穿。電阻R3用于實現電平轉移，二極管D1、D2 用于限制電阻R3瞬態電壓，從而對開關管N2、N3 的柵極起到保護作用。開關管N2、N3 采用互補連接，D5、D6 是寄生二極管。

當Is=0 時，電阻R3不產生壓降，節點Vgate2與節點VX1電壓相同，節點Vgate3與節點VX4電壓相同，此時提供給N2 和N3 的柵極驅動電壓為：

此時N2 和N3 的柵源電壓為VGS=-Vth<0，開關管處于截止狀態，高壓開關關閉。

當Is為開啟電流時，電阻R3會產生壓降，此時提供給N2 和N3 的柵極驅動電壓為：

此時N2 和N3 的柵源電壓VGS為：

根據式(3)可以推出電流Is的取值范圍：

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

當開關進行級聯時，Vbat_in與電池相連，Vout相互連接在一起，如圖4 所示。

圖4 高壓開關級聯示意圖

以中間電位開關S_M 為例，當S_M打開時，N3、N4導通，N1、N2、N5、N6 關閉，Vout=Vbat_M，此時VX1比Vout高，VX5比Vbat_L高，襯底二極管D2 和D5 處于反偏狀態，不會產生電池間串擾電流。

同理，當高位開關S_H 和低電位開關S_L 打開時，都有相應的襯底二極管反偏，不會產生電池間的串擾電流。設計的高壓開關可以直接級聯。

1.3 7：2 多路選擇器

為了驗證設計的高壓開關性能，采用0.5 μm 40 V BCD 工藝搭建了一個7:2 多路選擇器，圖5 是高壓多路選擇器的應用原理圖。

圖5 高壓多路選擇器應用電路

高壓多路選擇器直接與電池相連，根據總線控制信號S[1～7]，分別選通電池C1～C7的正極和負極，減法器電路用于實現電平轉移，將電池高壓共模電平轉換為適合ADC 輸入的范圍，減法器電路也采用了柵極輸入，降低整個傳輸鏈路的靜態電流，進而降低電壓損耗。

最后由ADC 進行模數轉換，實現電池電壓信號的測量功能。

2 后仿真結果與版圖設計

本文設計的高壓多路選擇器采用0.5 μm 40 V BCD工藝完成設計與版圖布局，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 整體版圖設計

圖7 是高壓開關的隔離度仿真曲線，仿真結果顯示，設計的高壓開關在1 MHz 頻率隔離度為-47 dB，具有較好的隔離特性。

圖7 高壓開關隔離度

將高壓多路選擇器連接7 節電池，單節電池電壓為5 V。隨著總線控制信號S[1～7]的變化，高壓多路選擇器有序地選擇每節電池的正極和負極，然后進行時域仿真，得到結果如圖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的仿真結果，圖中灰色虛線是節點Vout_n的電壓，灰色實線是節點Vout_p的電壓，黑色實線是兩者的差分電壓。從圖中可以看出設計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 結論

本文設計了一種新型柵極驅動型高壓開關，該高壓開關柵極控制信號不對電池信號源引入漏電流，可直接級聯。并用0.5 μm 40 V BCD 工藝，搭建一個7：2 高壓多路選擇器進行了仿真驗證，電路版圖面積為1.2 mm×1.5 mm，后仿真結果表明多路選擇器可以根據總線控制信號選通不同的電池通道，具有良好的工作特性。高壓開關在1 MHz 的隔離度為-47 dB，設計的電路滿足應用需求。

由于芯片處于流片中，本文目前并沒有實測結果，后續將進行實物測試，進一步深入研究。