一种卫星电源用电池单体高边电压采样电路的制作方法

1.本发明涉及空间电源领域，特别涉及一种卫星电源用电池单体高边电压采样电路。


背景技术：

2.电池单体电压采样电路作为一种常见的电路，通常用于均衡电路中为其提供电池单体电压采样。由于电池单体电压相对于电路地通常为高压，而运放的电源一般为低压二次电源，由于运放输入电压不能超出电源电压，因此运放不能通过常规放大电路实现电池单体电压采样。在工业级领域已经出现了具有隔离特性的运放可以实现对单体电压直接采样，但是这种特殊运放没有高等级器件，器件可获得性差。因此常规电池单体电压采样电路的做法如图2所示(以七串电池单体为例，电路适用性与电池串联数无关)，将电池单体的正端和负端先通过电阻分压，使得单体电压降到运放的输入电压范围内，然后再进行放大。这种处理方式使得电池单体电压先比例缩小为原来的1/k倍(k以10倍举例)，例如单体电压由原来的3.623v，输入变为0.3623v，由于电池单体采样精度要求很高，为了提高运放的采样精度，一般选择低失调电压的三运放仪表放大器。
3.目前空间电源领域常规电池单体电压采样电路，存在如下两个问题：1)为了解决电池高电位问题使用电阻分压得到低压电位，但缩小了有效信号源的幅值，对运放的输入失调电压要求提高，集成运放的单片成本较高，再考虑到单体数量和主备份采样，电池单体采样的电路成本更高；2)由于将电池单体两端电压使用电阻分压，当图2中分压电阻r11、r12、r13、r14由于电阻制造精度问题，使得分压电阻r12、r13分压比例k1与r11、r14的分压比例k2不完全相等时，会引入额外的测量误差，为了保证电路精度增加了额外的调试工作量。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种卫星电源用电池单体高边电压采样电路，对电池组中的某一电池单体进行采样，所述电池组由电池单体串联连接而成，电池组的负端接地，该电池单体高边采样电路包含：
5.运放，其电源正引脚与电池组最高电位的正端电连接，电源负引脚通过第一电阻接地，反相端通过第二电阻与采样电池单体的正端连接，同相端通过第三电阻与采样电池单体的负端连接，输出端依次通过第五电阻、mos管与运放反相端连接；
6.所述mos管的栅极与第五电阻连接，源极与运放反相端连接，漏极通过第四电阻接地；
7.第一稳压管，阴极与所述运放电源正引脚连接，阳极与运放的电源负引脚连接；
8.电容，并联连接在所述第一稳压管两端；
9.通过测量第四电阻两端的采样输出电压，以及第四电阻和第二电阻的阻值计算采样电池单体两端电压。
10.进一步地，所述高边电压采样电路还包含第二稳压管，其阴极通过第六电阻与mos管的漏极连接，阳极接地。
11.进一步地，所述运放的电源正引脚电位高于所述采样电池单体的正端电位，所述第一稳压管使得运放的电源负引脚电位小于采样电池单体的负端电位。
12.进一步地，所述第二电阻阻值等于第三电阻阻值。
13.进一步地，根据运放负反馈电路虚短特性，运放同相端与反相端电压相等，采样电池单体的负端电位与运放反相端电位相等，采样电池单体的两端电压等于第二电阻两端电压。
14.进一步地，根据运放负反馈电路虚短特性，流过第二电阻和第四电阻的电流相等，测得第四电阻两端的电压即可计算出第二电阻两端的电压，从而得到采样电池单体两端电压。
15.进一步地，所述电容是运放的去耦电容，保障运放电源正、负引脚电压差在运放电源电压承受范围内。
16.进一步地，所述mos管为pmos管。
17.本发明实现了一种卫星电源用电池单体高边电压采样电路，可以实现在电池高压端进行电压采样，运放的输入失调电压要求低，可以使用通用运放实现功能；使用的运放芯片数为常规仪表运放芯片数的一半，对电池组单体电路成本进一步降低；调试电阻为2个，而常规电池单体电压采样电路要实现较高精度需要对4个电阻进行筛选，对1个电阻进行调试，本发明的电路的调试过程更为方便。
附图说明
18.图1为本发明七串电池单体电压采样电路示例图；
19.图2为常规七串电池单体电压采样电路示例图；
20.图3本发明电池单体电压采样电路2倍放大下频率响应曲线；
21.图4为常规电池单体电压采样电路2倍放大下频率响应曲线。
具体实施方式
22.以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种卫星电源用电池单体高边电压采样电路，作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。
23.如图1所示，为本发明提供的一种卫星电源用电池单体高边电压采样电路，用于对电池组中的电池单体进行采样，本例中以7串电池单体串联连接组成所述电池组为例，电池组的负端接地，采样对象是串联电池组中第四个电池单体v4，其他示例中可以是其他电池单体。所述高边电压采样电路包含：
24.运放u1，其电源正引脚与电池组最高电位的正端电连接，电源负引脚通过第一电阻r1接地，第一电阻r1用于限流，反相端通过第二电阻r2与采样电池单体v4的正端连接，同相端通过第三电阻r3与采样电池单体v4的负端连接，输出端依次通过第五电阻r5、mos管q1与反相端连接；其中，所述运放u1的电源正引脚电位高于所述采样电池单体v4的正端电位，所述第一稳压管d1使得运放的电源负引脚电位低于采样电池单体v4的负端电位；
25.所述mos管q1优选为pmos管，其栅极与第五电阻r5连接，源极与运放u1反相端连
接，漏极通过第四电阻r4接地；通过测量第四电阻r4两端的采样输出电压v
out
，以及第四电阻r4和第二电阻r2的阻值计算采样电池单体两端的电压v
bat4
；
26.第一稳压管d1，阴极与所述运放u1电源正引脚连接，阳极与运放u1的电源负引脚连接；
27.电容c1，并联连接在所述第一稳压管d1两端，所述电容c1为运放u1的去耦电容；让运放u1电源负引脚电压低于电池单体v4的负端电位v
4
同时，保障运放u1电源正、负引脚压差在运放u1电源电压承受范围内。
28.所述电池单体高边电压采样电路还包括遥测输出稳压电路，包含第二稳压管d2、第六电阻r6，第二稳压管d2的阴极通过第六电阻r6与mos管q1的漏极连接，第二稳压管d2的阳极接地。
29.其中，第一稳压管d1与第一电阻r1为运放u1提供电源，保证运放u1电源正引脚电位v

大于电池单体v4正端电压v
4
和运放u1的电源负引脚电位v-小于电池单体v4负端电压v
3
，为运放u1高边电压采样提供合适的电源。将运放u1通过mos管q1连接为负反馈电路，根据运放u1的负反馈虚短特性和虚断特性，将采样电池单体v4电压转换为流过电阻r2的电流i
r2
最终转换成第四电阻r4两端电压，实现采样电池单体v4电压从高压侧转化为低压侧，达到电池高边电压采样的目的。
30.使用该电池单体高边电压采样电路时需根据采样电池单体的正端和负端电位合理选择第一稳压管d1的型号以及第一电阻r1阻值，确保运放u1的电源正负端电位范围包含采样电池单体的电位；根据遥测输出电压幅值要求，确定第二稳压管d2和第六电阻r6的值，同时确定电池单体v4电压采样的放大倍数，根据电路放大倍数和mos管q1的电流能力确定第二电阻r2、第四电阻r4的阻值并令第三电阻r3与第二电阻r2阻值相同，将运放的失调电流引入的误差最小化；其中，第五电阻r5可选地为5～10ω，其作用为限制运放u1对mos管q1的栅源电容的充放电电流。
31.根据图1可知，要想实现运放的高边采样，本发明选取的第一稳压管d1的稳压电压满足以下约束：
[0032][0033]
式中v
3
、v
4
、v
7
为电池组中对应的各电池单体正端电位，v

与v-为运放u1电源正、负引脚电位，v
d1
是第一稳压管d1的稳压电压。
[0034]
运放u1在正负电源电位满足式(1-1)的约束后，即可实现在高边对电池采样单体电压有效的识别，根据图1中所示运放u1通过mos管q1连接成负反馈电路，根据运放负反馈电路虚短特性，运放u1的同相端经过第三电阻r3与图1中第四个采样电池单体v4采样单体负端连接，电位为v
3
，由于运放负反馈，运放同相端与反相端电位相等，即由运放v
ui-＝v
ui
＝v
3
可知：
[0035][0036]
式中v
bat4
为采样电池单体v4两端电压，v
3
、v
4
为电池单体v4负端、正端电位，v
u1
、v
u1-为运放u1的同相端和反相端电压，v
r2
为第二电阻r2两端电压，根据虚短特性可知电池单
体v4两端电压与第二电阻r2两端电压相等。根据运放负反馈电路虚短特性可知：
[0037][0038]
式中v
out
为电池单体v4采样输出电压(即第四电阻r4两端电压)，i
r2
、i
r4
分别为流过第二电阻r2、第四电阻r4的电流。根据虚断特性可知，第二电阻r2电流完全流过第四电阻r4不流入运放u1，因此根据第二电阻r2和第四电阻r4电流相等可以得出电路输出电压为电池单体电压的r4/r2倍，即得出电池单体v4两端电压v
bat4
。而第四电阻r4和第二电阻r2的取值可以综合考虑mos管q1的通流能力、mos管q1的漏电流和降低电路的功耗选择合适的阻值。
[0039]
本发明具有如下优点：1)与常规的卫星电源用电池单体电压采样电路(图2所示电路)相比具有直接采集电池单体高边电压，对运放的输入失调电压要求低；2)本发明的电池单体高边电压采样电路仅需要对第二电阻r2、第四电阻r4两个电阻进行调试即可，而图2所示电路需要对电阻r11、r12、r13、r14四个电阻阻值进行筛选，对电阻rg进行调试，本发明的电路调试工作量大大减少。3)图2中采用的是仪表运放为8引脚单运放每个运放仅能对一个电池单体进行采样，本发明电路可以使用低成本8引脚双运放进行采样，因此一个运放芯片可以采集两个电池采样单体，因此本方案采集相同数量的电池单体电压运放芯片的使用数量为常规电池单体电压采样电路的一半，因此在卫星电源领域具有很高的工程应用价值；4)本发明电路结构简单无需电阻分压电路不会因为运放输入端的两路电阻分压比例不一致导致测量误差、可以使用低成本双运放代替仪表运放芯片、调试简单。
[0040]
以下附上本发明与传统电路测试电池单体电压的仿真测试结果，如下表1所示，可以看出本发明的池单体高边电压采样电路使用lm358型运放与使用仪表运放的传统电压采样电路拥有相同的理论测量精度。
[0041]
表1为本专利采样电路与常规电池电压采样电路电压测量仿真结果
[0042][0043]
表1
[0044]
图3和图4为两个电路在相同放大倍数下的带宽和相位特性，根据上述两图测量结果可知本发明电路的穿越频率与常规电池单体采样电路相近(相差50khz以内)，虽然本方案相位裕度在61.99
°
附近比常规电池采样电路相位裕度110
°
低一点，但该相位裕度仍实现本电路稳定工作。由于电池电压采样是低频应用，本方案可以保证在低频段0-10khz的增益和相移稳定，因此本方案的电路用于电池电压采样的使用场景。
[0045]
综上所述，本发明实现了一种卫星电源用电池单体高边电压采样电路，可以实现在电池高压端进行电压采样，运放的输入失调电压要求低，可以使用通用运放实现功能；使用的运放芯片数为常规仪表运放芯片数的一半，对电池组单体电路成本进一步降低。
[0046]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。