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CN118884226A - 电化学阻抗测量电路、方法、芯片及电子设备 - Google Patents

电化学阻抗测量电路、方法、芯片及电子设备 Download PDF

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CN118884226A
CN118884226A CN202410937549.7A CN202410937549A CN118884226A CN 118884226 A CN118884226 A CN 118884226A CN 202410937549 A CN202410937549 A CN 202410937549A CN 118884226 A CN118884226 A CN 118884226A
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CN
China
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signal
charging
unit
module
electrochemical impedance
Prior art date
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Application number
CN202410937549.7A
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张禄鑫
陈敏
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Chipsea Technologies Shenzhen Co Ltd
Original Assignee
Chipsea Technologies Shenzhen Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Chipsea Technologies Shenzhen Co Ltd filed Critical Chipsea Technologies Shenzhen Co Ltd
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Abstract

本申请实施例提供一种电化学阻抗测量电路、方法、芯片及电子设备，电化学阻抗测量电路包括：信号产生模块、测量模块以及测量控制模块，测量控制模块可以检测响应信号的信号变化率，并根据信号变化率控制测量模块测量响应信号的测量频率；其中，激励信号包括三角波信号和/或者方波信号，且信号变化率与测量频率正相关。本申请使得测量模块的测量频率动态地跟随响应信号的信号变化率变化，最终减小了三角波信号和/或者方波信号高次谐波混叠的现象，有利于在减小电化学阻抗测量电路面积的同时提高电化学阻抗的测量精度。

Description

电化学阻抗测量电路、方法、芯片及电子设备
技术领域
本申请涉及集成电路技术领域，具体涉及一种电化学阻抗测量电路、方法、芯片及电子设备。
背景技术
目前，电化学阻抗谱广泛应用于电池正负极材料分析、脱嵌动力参数研究、固体电解质、界面反应等方面的研究，是分析电池性能的有力工具。在相关技术中，电化学阻抗谱测量主要利用激励信号结合快速傅里叶变换方法(Fast Fourier Transform，FFT)或者频率响应分析方法(Frequency Response Analysis，FRA)实现。
就激励信号类型而言，激励信号可以分为正弦交流激励、方波激励、三角波激励等作为输入信号激励。然而，产生高精度的正弦波激励需要消耗较高的面积和功耗成本，而相比于正弦波激励，产生方波激励或三角波激励方法较为简单，但是在采用方波或三角波激励时，响应信号会伴随高次谐波，在后续对输出响应进行采样时高次谐波会混叠至基频带内，从而造成一定的测量精度损失，这导致了电化学阻抗测量精度下降的问题。
发明内容
鉴于以上问题，本申请实施例提供一种电化学阻抗测量电路、方法、芯片及电子设备，以解决上述技术问题。
第一方面，本申请实施例提供一种电化学阻抗测量电路，电化学阻抗测量电路用于测量阻抗模块的电化学阻抗谱，包括：
信号产生模块，信号产生模块用于生成具有预设带宽的激励信号，激励信号用于激励阻抗模块输出响应信号；
测量模块，测量模块用于测量响应信号，并根据激励信号以及响应信号，确定阻抗模块在预设带宽内的电化学阻抗谱；
测量控制模块，测量控制模块用于检测响应信号的信号变化率，并根据信号变化率控制测量模块测量响应信号的测量频率；
其中，激励信号包括三角波信号和/或者方波信号，且信号变化率与测量频率正相关。
第二方面，本申请提供一种电化学阻抗测量，电化学阻抗测量方法用于测量阻抗模块的电化学阻抗谱，包括：
向所述阻抗模块输入具有预设带宽的激励信号；
测量所述阻抗模块响应于所述激励信号而输出响应信号的信号变化率；
根据所述信号变化率确定测量所述响应信号的测量频率；
根据所述测量频率测量所述响应信号的幅值，并根据所述响应信号的幅值以及所述激励信号的幅值确定所述阻抗模块的电化学阻抗谱；
其中，所述激励信号包括三角波信号和/或者方波信号，且所述信号变化率与所述测量频率正相关。
第三方面，本申请提供一种芯片，包括如第一方面所述的电化学阻抗测量电路。
第四方面，本申请提供一种电子设备，包括如第三方面所述的芯片。
本申请通过测量控制模块控制测量模块的测量频率，并且信号变化率与测量频率正相关，意味着高次谐波的能量越高(信号变化率越大)，测量模块测量响应信号的测量频率越高，高次谐波的能量越低(信号变化率越小)，测量模块测量响应信号的测量频率越低。也就是说，本申请使得测量模块的测量频率动态地跟信号变化率而变化，最终通过改变测量模块的测量频率减小三角波信号和/或者方波信号高次谐波混叠的现象，有利于在减小电化学阻抗测量电路面积的同时提高电化学阻抗的测量精度。
本申请的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了相关技术中快速傅里叶变换方法测量电化学阻抗谱的一种模块示意图。
图2示出了相关技术中频率响应分析方法测量电化学阻抗谱的一种模块示意图。
图3示出了本申请实施例中电化学阻抗测量电路的一种示意图。
图4示出了本申请实施例中电化学阻抗测量电路的另一种示意图。
图5示出了本申请实施例中电化学阻抗测量电路的另一种示意图。
图6示出了本申请实施例中电化学阻抗测量电路的另一种示意图。
图7示出了本申请实施例中测量响应信号的信号变化率时各信号的一种时域变化示意图。
图8示出了本申请实施例中测量响应信号的幅值时各信号的一种时域变化示意图。
图9示出了本申请实施例中电化学阻抗测量电路的另一种示意图。
图10示出了本申请实施例中电化学阻抗测量电路的另一种示意图。
图11示出了本申请实施例中电化学阻抗测量电路的另一种示意图。
图12示出了本申请实施例中电化学阻抗测量方法的一种流程示意图。
其中，100电化学阻抗测量电路，1阻抗模块，10信号产生模块，20测量模块，21信号放大单元，22模数转换单元，30测量控制模块，31电流源单元，32充电单元，33比较单元，34充电控制单元，35计数单元，36逻辑单元；
激励信号ES，响应信号RS，充电电流I0，充电电压V0，比较信号V1，充电控制信号V2，预设时钟信号CLK，响应放大信号RSO，触发器Trig，第一电流源IS，第一开关S1，充电控制开关Sc，第一电容C1，复位开关Sr，第一比较器Comp。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性地，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请的方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例中，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本申请实施例的描述中，“示例”或“例如”等词语用于表示举例、说明或描述。本申请实施例中描述为“举例”或“例如”的任何实施例或设计方案均不解释为比另一实施例或设计方案更优选或具有更多优点。使用“示例”或“例如”等词语旨在以清晰的方式呈现相对概念。
另外，本申请实施例中的“多个”是指两个或两个以上，鉴于此，本申请实施例中也可以将“多个”理解为“至少两个”。“至少一个”，可理解为一个或多个，例如理解为一个、两个或更多个。例如，包括至少一个，是指包括一个、两个或更多个，而且不限制包括的是哪几个，例如，包括A、B和C中的至少一个，那么包括的可以是A、B、C、A和B、A和C、B和C、或A和B和C。
需要说明的是，本申请实施例中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，字符“/”，如无特殊说明，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
需要指出的是，本申请实施例中“连接”可以理解为电连接，两个电学元件连接可以是两个电学元件之间的直接或间接连接。例如，A与B连接，既可以是A与B直接连接，也可以是A与B之间通过一个或多个其它电学元件间接连接。
本申请的实施例提供的电路结构中，第一节点、第二节点等节点并非表示实际存在的部件，而是表示电路图中相关耦接的汇合点，也就是说，这些节点是由电路图中相关耦接的汇合点等效而成的节点。
目前，电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)是一种用于分析和研究电化学系统的表面行为和电极动力学过程的电化学表征手段，其基本原理是通过施加一个小幅度的交流电压或电流信号于待测电化学系统，并测量系统对该信号的响应，从而得到待测电化学系统的阻抗随频率变化的关系。在相关技术中，电化学阻抗谱测量方法主要包括快速傅里叶变换方法和频率响应分析方法。
参阅图1，图1示出了相关技术中快速傅里叶变换方法测量电化学阻抗谱的一种模块示意图，快速傅里叶变换方法通过宽带信号发生模块产生激励信号经过待测电化学系统，待测电化学系统输出的响应信号以及激励信号被模数转换器测量出来，然后在数字系统中进行快速傅里叶变换将激励信号以及响应信号由时域信号转换为频域信号，最终得到待测电化学系统在频域上的电压与电流信号，从而计算得到待测电化学系统在频域上的阻抗信息，也即待测电化学系统的电化学阻抗谱。
继续参阅图2，图2示出了相关技术中频率响应分析方法测量电化学阻抗谱的一种模块示意图，频率响应分析方法通过信号发生器产生不同频率的交流激励信号，然后通过模数转换器测量不同频率激励信号下待测电化学系统输出的响应信号在时域上的积分信号，最终得到对应频率待测电化学系统在阻抗复平面的实部与虚部。
就激励信号类型而言，激励信号可以分为正弦交流激励、方波激励、三角波激励等作为输入信号激励。然而，产生高精度的正弦波激励需要消耗较高的面积和功耗成本，而相比于正弦波激励，产生方波激励或三角波激励方法较为简单，但是在采用方波或三角波激励时，响应信号会伴随高次谐波，在后续对输出响应进行采样时高次谐波会混叠至基频带内，从而造成一定的测量精度损失，这导致了电化学阻抗测量精度下降的问题。
为此，本申请提供电化学阻抗测量电路、方法、芯片及电子设备，以下分别进行详细说明。
首先，参阅图3，图3示出了本申请实施例中电化学阻抗测量电路100的一种示意图，其中，电化学阻抗测量电路100用于测量阻抗模块1的电化学阻抗谱，电化学阻抗测量电路100包括信号产生模块10、测量模块20以及测量控制模块30。
具体地，阻抗模块1是指任意对通过其的交流电流具有阻碍作用的模块。在本申请的一些实施例中，阻抗模块1可以包括电子元件，例如电阻、电容、电感或晶体管等，晶体管诸如MOS管、三极管、IGBT管或二极管等，以便于通过电化学阻抗测量电路100分析电子元件的电化学阻抗谱。在本申请的一些实施例中，阻抗模块1可以包括电池或电池的部件，电池诸如碳锌电池、碱性电池、锂电池、铅酸电池或镍氢电池等，电池的部件诸如电极或电解质(电解液)等，以便于通过电化学阻抗测量电路100分析电池及其部件的电化学阻抗谱。
信号产生模块10可以生成具有预设带宽(例如0.1Hz-10kHz)的激励信号ES，以便于激励信号ES激励阻抗模块1输出响应信号RS。在本申请的一些实施例中，激励信号ES可以是电压信号，阻抗模块1在激励信号ES的作用下输出电流信号作为响应信号RS。在本申请的一些实施例中，激励信号ES可以是电流信号，阻抗模块1在激励信号ES的作用下输出电压信号作为响应信号RS。
在本申请的一些实施例中，激励信号ES可以包括多个在时域上连续的单一频率的电压信号或者电流信号的非混叠信号，激励信号ES也可以是多个频率电压信号或者多个频率电流信号叠加在一起的电压信号或者电流信号。
在本申请的一些实施例中，信号产生模块10可以通过信号模拟的方式输出激励信号ES，例如在确定激励信号ES在时域上的电压值后，通过数模转换器按时序输出模拟电压，从而实现模拟输出激励信号ES的目的。在本申请的一些实施例中，信号产生模块10可以通过振荡器模拟输出激励信号ES，通过控制振荡器的振荡频率生成具有预设带宽的激励信号ES。
测量模块20可以测量响应信号RS的幅值，以便于根据激励信号ES以及响应信号RS，确定阻抗模块1在预设带宽内的电化学阻抗谱。在本申请的一些实施例中，例如对于激励信号ES为单一频率的电压信号或者电流信号的实施例，测量模块20可以通过测量该频率下的响应信号RS的幅值，然后根据响应信号RS的幅值以及激励信号ES的幅值确定测量模块20在该频率下的阻抗，对于阻抗模块1在其他频率的阻抗测量同理。在本申请的一些实施例中，例如对于激励信号ES为多个频率电压信号或者多个频率电流信号叠加在一起的信号的实施例，测量模块20可以测量响应信号RS在时域上的幅值，然后通过傅里叶变换根据响应信号RS在时域上的幅值确定为各频率上的幅值，以便于计算阻抗模块1在各频率的阻抗。
举例来说，以傅里叶变换计算阻抗模块1在各频率的阻抗为例，在通过傅里叶变换得到响应信号RS在各频率上的幅值后，可以按如下公式计算对应频率的阻抗：
其中，Z(fn)为阻抗模块1在频率fn处的阻抗，V1(fn)为激励信号ES在对应频率fn的有效幅值，V2(fn)为响应信号RS在对应频率fn的有效幅值，R为复阻抗实部，X为复阻抗虚部。
示例性地，测量模块20可以包括但不限于逐次逼近型模数转换器(Successiveapproximation ADC，SAR ADC)、Sigma-Delta模数转换器(Sigma-delta ADC，SD ADC)、流水线模数转换器(Pipeline ADC)中的一者或者多者组成的混合型模数转换器。
测量控制模块30可以根据响应信号RS的信号变化率控制测量模块20测量响应信号RS的测量频率。其中，信号变化率是指响应信号RS在单位时间内的变化量，也就是说，信号变化率代表了响应信号RS随时间变化的斜率，信号变化率越大，则响应信号RS的幅值-时域曲线越倾斜，反之，信号变化率越小，则响应信号RS的幅值-时域曲线越平滑。
在本申请的一些实施例中，测量控制模块30可以根据测量模块20所测量的响应信号RS的幅值来确定响应信号RS的信号变化率，例如，可以在测量某一频率电化学阻抗谱之前，提高测量模块20的测量频率预先地在短时间内测量多次响应信号RS的幅值，然后通过测量控制模块30计算得到响应信号RS的信号变化率，以便于在正式测量电化学阻抗谱时控制测量模块20的测量频率。在本申请的另外一些实施例中，本申请也可以直接通过测量控制模块30检测响应信号RS的信号变化率，例如，通过测量控制模块30在短时间内测量多次响应信号RS的幅值，然后根据测量结果计算得到响应信号RS的信号变化率，以便于在正式测量电化学阻抗谱时控制测量模块20的测量频率。
需要说明的是，由于在本申请实施例中激励信号ES包括三角波信号和/或者方波信号，因此响应信号RS同样包括三角波信号和/或者方波信号并会伴随高次谐波，以激励信号ES为方波电压信号为例，从频域上分析方波信号其由基频和高次谐波构成，并随着谐波频率增加谐波能量逐渐减小，方波电压信号可以按如下公式表达：
Vin＝A0sinωt+B0sin(2ωt)+C0sin(3ωt)+...+N0sin(nωt)
其中，Vin为方波电压信号，A0、B0、C0、N0为不同频率下的振幅，ω为角速度。
方波电压信号经过阻抗模块1后，其响应信号RS可以按如下公式表达：
Iin＝A1sinωt+B1sin(2ωt)+C1sin(3ωt)+...+N1sin(nωt)
其中，Iin为方波电压信号，A1、B1、C1、N1为不同频率下的振幅。
根据上述公式可以看出，A0sinωt、A1sinωt为基频谐波，B0sin2ωt、C0sin3ωt、C0sin3ωt、B1sin2ωt、C1sin3ωt等为混叠的高次谐波，当高次谐波的能量较大时，三角波信号或者方波信号在时域上的波形表现上升沿、下降沿斜率越大(即波形曲线越倾斜)，而当高次谐波的能量较小时，三角波信号和/或者方波信号在时域上的波形表现上升沿、下降沿斜率越小(即波形曲线越平滑)，因此响应信号RS在时域上的信号变化率代表了高次谐波的能量高低。
而在本申请实施例中，本申请通过测量控制模块30控制测量模块20的测量频率，并且信号变化率与测量频率正相关，意味着高次谐波的能量越高(信号变化率越大)，测量模块20测量响应信号RS的测量频率越高，高次谐波的能量越低(信号变化率越小)，测量模块20测量响应信号RS的测量频率越低。也就是说，本申请使得测量模块20的测量频率动态地跟随信号变化率变化，使得测量模块20的测量频率与高次谐波的能量匹配，最终通过改变测量模块20的测量频率减小三角波信号和/或者方波信号高次谐波混叠的现象，有利于在减小电化学阻抗测量电路100面积的同时提高电化学阻抗的测量精度。
需要说明的是，信号变化率与测量频率的关系(例如关系式或者映射关系)可以根据测试预先得到，在不同的应用场景中，信号变化率与测量频率的关系可能是不相同，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置，本申请不做具体限定。
在本申请的一些实施例中，参阅图4，图4示出了本申请实施例中电化学阻抗测量电路100的另一种示意图，其中，测量模块20包括信号放大单元21以及模数转换单元22；信号放大单元21用于放大响应信号RS以输出响应放大信号RSO，模数转换单元22用于测量响应放大信号RSO随时间变化的幅值，测量控制模块用于控制模数转换单元22的测量频率。
需要说明的是，激励信号ES激励阻抗模块1输出的响应信号RS的幅值大小受到阻抗模块1的阻抗值影响，由于模数转换单元22通常存在一定的测量范围，因此可能存在响应信号RS的幅值过小而导致模数转换单元22测量精度下降的问题。而在上述实施例中，由于通过信号放大单元21放大响应信号RS并输出响应放大信号RSO，因此模数转换单元22是对响应放大信号RSO进行模数转换，而并非对响应信号RS进行模数转换，从而避免了响应信号RS的幅值过小而导致模数转换单元22信噪比降低的问题。同时，由于测量控制模块控制了模数转换单元22的测量频率，因此也可以使得测量模块20的测量频率与高次谐波的能量匹配，从而减小三角波信号和/或者方波信号高次谐波混叠的现象。
示例性地，信号放大单元21可以包括但不限于可编程增益放大器(PGA)、运算放大器、场效应管放大器、双极性晶体管放大器等信号放大电路。
在本申请的一些实施例中，参阅图5，图5示出了本申请实施例中电化学阻抗测量电路100的另一种示意图，其中，测量控制模块30还用于测量响应信号RS的幅值，并根据响应信号RS的幅值控制信号放大单元21的信号放大倍数；其中，信号放大倍数与响应信号RS的幅值负相关。
需要说明的是，模数转换单元22具有一定的测量范围，当响应信号RS的幅值(例如电压或者电流)较小或者较大时，均可能导致模数转换单元22的测量精度下降的问题。而在上述实施例中，由于测量控制模块30根据响应信号RS的幅值控制信号放大单元21的信号放大倍数，并使得控制信号放大单元21的信号放大倍数与幅值负相关，也就是说，当响应信号RS的幅值越大时，则信号放大单元21的信号放大倍数越小，当响应信号RS的幅值越小时，则信号放大单元21的信号放大倍数越小，因此在测量控制模块30的控制下，信号放大单元21输出的响应放大信号RSO的幅值将稳定在一定的区间内，从而可以避免响应信号RS的幅值较小或者较大时而导致测量精度下降的问题。
在本申请的一些实施例中，例如对于可以直接通过测量控制模块30检测响应信号RS的信号变化率的实施例，参阅图6，图6示出了本申请实施例中电化学阻抗测量电路100的另一种示意图，其中，测量控制模块30包括电流源单元31、充电单元32、比较单元33、充电控制单元34、计数单元35以及逻辑单元36。
具体地，电流源单元31可以输出充电电流I0，以便于充电单元32接收充电电流I0进行充电并产生充电电压V0。示例性地，单元电流源可以包括但不限于压控电流源、电流控制电流源或者其他类型的受控电流源。
充电单元32可以接收充电电流I0进行充电并产生充电电压V0，以便于比较单元33判断充电电压V0与响应信号RS的大小。示例性地，充电单元32可以包括一个或者多个感性阻抗元件，例如充电单元32可以包括一个或多个电容，在通过充电电流I0对电容进行充电后，则可以在电容的一端产生变化的充电电压V0。
比较单元33可以比较充电电压V0与响应信号RS的大小并输出比较信号V1，以便于充电控制单元34通过比较信号V1控制是否继续对充电单元32进行充电。示例性地，比较单元33可以包括但不限于单限比较器、迟滞比较器等。
充电控制单元34根据比较信号V1以及预设时钟信号CLK输出充电控制信号V2，以便于通过充电控制信号V2控制电流源单元31间歇地输出充电电流I0。例如，当充电电压V0大于响应信号RS后，比较单元33输出的比较信号V1改变为低电平信号，在预设时钟信号CLK为高电平或者上升沿到来时，充电控制单元34可以输出低电平信号，从而使得电流源停止对充电单元32进行充电；而当充电电压V0大于响应信号RS后，比较单元33输出的比较信号V1改变为高电平信号，在预设时钟信号CLK为高电平或者的上升沿到来时，则充电控制单元34可以输出高电平信号，从而使得电流源继续对充电单元32进行充电。
计数单元35以及逻辑单元36可以采用计数器、寄存器、计数器或门电路等逻辑电路实现，其中，计数单元35可以记录充电控制信号V2为高电平信号的第一次数以及充电控制信号V2为低电平的第二次数，从而使得逻辑单元36可以根据计数单元35的计数结果控制测量模块20。例如，以高电平信号控制电流源对充电单元32进行充电，低电平信号控制电流源停止对充电单元32进行充电为例，充电单元32的充电电压V0则为：
V0＝Q/C＝N1*I0*t/C
其中，Q为充入充电单元32的电荷量，C为充电单元32的电容值，N1为第一次数，I0为电流源单元31输出的充电电流I0，t为充电控制信号V2为高电平信号的时长。
可以看出，在记录充电控制信号V2为高电平信号的第一次数以及充电控制信号V2为低电平的第二次数后，实际上相当于量化了充电电压V0的大小，当充电电压V0与响应信号RS大小相接近时，则可以根据充电电压V0的大小得到响应信号RS的幅值，以便于计算响应信号RS的信号变化率和/或者幅值。
作为一种测量响应信号RS的信号变化率的示例性说明，参阅图7，图7示出了本申请实施例中测量响应信号RS的信号变化率时各信号的一种时域变化示意图，在图7中，初始状态时钟控制信号为高电平，使得电流源单元31对充电单元32进行充电，当充电电压V0大于响应信号RS时，比较信号V1为低电平，在预设时钟信号CLK的上升沿到来后，充电控制信号V2改变为低电平，电流源单元31停止对充电单元32进行充电；而在响应信号RS变化导致充电电压V0小于响应信号RS后，比较信号V1为高电平，在预设时钟信号CLK的上升沿到来后，充电控制信号V2重新改变为高电平，电流源单元31继续对充电单元32进行充电，上述过程重复执行，使得充电电压V0始终在响应信号RS波动，在经过预设时钟信号CLK多个周期后，第一次数与第二次数的比值等于或者近似等于1，可知响应信号RS的信号变化率可以按如下公式计算：
ks＝△V1/△t1＝(I0*DR*△t1)/(C*△t1)
其中，△t1为预设时钟信号CLK多个周期对应的时间，△V1为充电电压V0在多个周期的变化量，DR为预设时钟信号CLK的占空比。
即信号变化率满足如下关系式：
ks＝(I0*DR)/C
可以看出，由于充电单元32包括接收充电电流I0的第一电容C1，并且第一电容C1的电容值和/或者充电电流I0的电流大小可调节，那么通过调节第一电容C1的电容值和/或者充电电流I0的电流大小，可以使得计数单元35计数得到的第一次数与第二次数的比值等于1，最终逻辑单元36可以根据第一电容C1的电容值、充电电流I0的电流大小以及预设时钟信号CLK的占空比按照上述关系式计算得到响应信号RS的信号变化率。
需要说明的是，本申请中用于实施例描述的数字在一些示例中使用了修饰词“等于”、“大约”、“近似”来修饰。除非另外说明，“等于”、“大约”、“近似”表明所述数字允许有±10％的变化，例如，当第一次数为100，第二次数为98，则可以认为第一次数等于第二次数。
在本申请的一些实施例中，例如对于测量控制模块30还可以检测响应信号RS的幅值的实施例，参阅图8，图8示出了本申请实施例中测量响应信号RS的幅值时各信号的一种时域变化示意图，在提高预设时钟信号CLK的频率和/或者减小占空比后，充电电压V0会经过多个周期才会大于响应信号RS，可知充电电压V0为：
V0＝N2*△V＝N2*I0*DR*T/C
其中，N2为计数单元35首次记录到高电平信号时第一次数的数量，T为预设时钟信号CLK的周期，△V为周期电压变化值，周期电压变化值为充电电压V0在预设时钟信号CLK一个周期对应的电压变化量。
可以看出，当计数单元35首次记录到低电平信号时，说明充电电压V0首次接近响应信号RS，此时响应信号RS的幅值等于周期电压变化值与第二次数的乘积，因此本申请的测量控制模块30还可以实现对充电电压V0的幅值测量。
可以理解地，上述实施例是以充电控制信号V2为高电平信号时对充电单元32进行充电，而充电控制信号V2为低电平信号停止对充电单元32充电为例进行说明，若充电控制信号V2为低电平信号时对充电单元32进行充电，为高电平信号停止对充电单元32充电，则在当计数单元35首次记录到高电平信号时，可知响应信号RS的幅值等于周期电压变化值与第二次数(第二次数不等于0)的乘积。
在本申请的一些实施例中，参阅图9，图9示出了本申请实施例中电化学阻抗测量电路100的另一种示意图，充电控制单元34包括触发器Trig；触发器Trig的输入端与比较单元33连接以接入比较信号V1，触发器Trig的控制端接入预设时钟信号CLK；触发器Trig的输出端与电流源单元31连接以输出充电控制信号V2，且触发器Trig的输出端与计数单元35连接。具体地，当比较信号V1为高电平，并且预设时钟信号CLK的上升沿到来时，则触发器Trig的输入端、控制端同为高电平，因此触发器Trig输出端此时输出的充电控制信号V2为高电平信号；反之，当比较信号V1为低电平，并且预设时钟信号CLK的上升沿到来时，则触发器Trig的输入端为低电平、控制端同为高电平，因此触发器Trig输出端此时输出的充电控制信号V2为低电平信号，最终使得触发器Trig可以根据比较信号V1以及预设时钟信号CLK输出充电控制信号V2。
在本申请的一些实施例中，继续参阅图9，电流源单元31包括多个第一电流源IS、多个第一开关S1以及充电控制开关Sc；第一电流源IS与第一开关S1一一对应，每个第一开关S1的第一端与对应的第一电流源IS连接，每个第一开关S1的第二端与充电控制开关Sc第一端连接；充电控制开关Sc的第二端与充电单元32连接，充电控制开关Sc的控制单元与充电控制单元34连接以接入充电控制信号V2。具体地，每个第一电流源IS可以输出电流，通过第一开关S1闭合数量则可以控制电流源单元31输出电流的大小，同时通过充电控制信号V2控制充电控制开关Sc，则可以实现电流源单元31对充电单元32的充电控制，以使得充电电压V0接近于响应信号RS。
在本申请的一些实施例中，继续参阅图9，充电单元32包括第一电容C1以及复位开关Sr；第一电容C1的第一极板与电流源单元31连接以接收充电电流I0，第一电容C1的第二极板与接地端连接；复位开关Sr的一端与第一电容C1的第一极板连接，另外一端与第一电容C1的第二极板连接。具体地，在每次测量响应信号RS的幅值或者信号变化率之前，复位开关Sr先闭合后断开，使得第一电容C1的电荷量清零，然后再通过充电控制信号V2控制充电控制开关Sc，使得电流源单元31对充电单元32进行充电，从而避免第一电容C1残留的电荷导致充电电压V0起点不一致的现象。
在本申请的一些实施例中，比较单元33包括第一比较器Comp；第一比较器Comp的第一输入端与充电单元32连接以接入充电电压V0，第一比较器Comp的第二输入端接入响应信号RS，第一比较器Comp的输出端与充电控制单元34连接。例如，继续参阅图9，第一比较器Comp的反相输入端与充电单元32连接以接入充电电压V0，第一比较器Comp的同相输入端接入响应信号RS，当充电电压V0大于响应信号RS时，第一比较器Comp的输出端改变为低电平信号；而当充电电压V0小于响应信号RS时，第一比较器Comp的输出端改变为高电平信号，从而使得第一比较器Comp判断充电电压V0是否接近于响应信号RS。
可以理解地，第一比较器Comp的反相输入端也可以接入响应信号RS，第一比较器Comp的同相输入端也可以接入充电电压V0，当充电电压V0大于响应信号RS时，第一比较器Comp的输出端改变为高电平信号；而当充电电压V0小于响应信号RS时，第一比较器Comp的输出端改变为低电平信号。
在本申请的一些实施例中，例如对于激励信号ES为电压信号而激励阻抗模块1输出电流信号的实施例，参阅图10，图10示出了本申请实施例中电化学阻抗测量电路100的另一种示意图，电化学阻抗测量电路100还包括电阻R0以及运算放大器OP，电阻R0的一端与运算放大器OP的反相输入端连接，另外一端与运算放大器OP的输出端连接，运算放大器OP的同相输入端用于接入响应信号RS。也就是说，电阻R0以及运算放大器OP组成的反相放大器，不仅将响应信号RS转换为电压信号，同时还可以将响应信号RS进行放大，以便于减小模数转换器对响应信号RS的测量误差。
作为一种示例性应用实施例，继续参阅图11，图11示出了本申请实施例中电化学阻抗测量电路100的另一种示意图，其中，阻抗模块1包括电池cell、第一运算放大器OP1、第二运算放大器OP2、第一电阻R1以及第二电阻R2，电池cell为具有第一电极、第二电极以及参考电极的三电极电池，第一运算放大器OP1的反相输入端与第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另外一端与信号产生模块10连接并接收激励信号ESES，第一运算放大器OP1的输出端与电池cell的第一电极连接，使得电池cell的第一电极可以接收放大后的激励信号ES。
第二运算放大器OP2的同相输入端与电池cell的参考电极连接，第二运算放大器OP2的反相输入端与输出端短接，第二电阻R2的第一端与第一运算放大器的反相输入端连接，此时第二运算放大器OP2作为电压跟随器，使得电池cell的参考电极电压等于第一运算放大器OP1同相输入端的电压，以保证电池cell的参考电极固定而没有压降。
在电化学阻抗谱的测试过程，信号产生模块10通过第一运算放大器OP1向电池cell输出激励信号ES，电池cell在激励信号ES的作用下产生响应电流，反相放大器将响应电流放大并转换为电压信号，进而利用测量模块20对响应信号RS在时域上进行测量，最终结合激励信号ES以及响应信号RS在各频率处的幅值、相位差信息，计算得到阻抗模块1在该各频率处的阻抗值。
需要说明的是，上述关于电化学阻抗测量电路100旨在清楚说明本申请的实施验证过程，本领域技术人员在本申请的指导下还可以做出等同的修改设计，例如，充电控制单元34还可以采用一些门电路实现，门电路诸如与门、与非门等；又例如，图7、图8对应了图9中触发器为电平触发器的实施例，实际上，本申请的触发器也可以采用边沿触发器，而当图9中触发器为边沿触发器时，则可以对应修改响应信号RS的信号变化率计算公式为：ks＝△V1/△t1＝1/2(I0*△t1)/(C*△t1)，并对应修改充电电压V0计算公式为：V0＝N2*△V＝N2*I0*T/C。
进一步地，为了更好地实施本申请实施例中电化学阻抗测量电路100，在电化学阻抗测量电路100的基础上，本申请还提供一种电化学阻抗谱测量方法，参阅图12，图12示出了本申请实施例中电化学阻抗谱测量方法的一种流程示意图，其中，电化学阻抗测量方法用于测量阻抗模块1的电化学阻抗谱，电化学阻抗谱测量方法包括：
步骤S1201，向阻抗模块1输入具有预设带宽的激励信号ES；
具体地，激励信号ES包括三角波信号和/或者方波信号，可以通过信号产生模块10可以生成具有预设带宽(例如0.1Hz-10kHz)的激励信号ES，以便于激励信号ES激励阻抗模块1输出响应信号RS。在本申请的一些实施例中，信号产生模块10可以通过信号模拟的方式输出激励信号ES，例如在确定激励信号ES在时域上的电压值后，通过数模转换器按时序输出模拟电压，从而实现模拟输出激励信号ES的目的。在本申请的一些实施例中，信号产生模块10可以通过振荡器模拟输出激励信号ES，通过控制振荡器的振荡频率生成具有预设带宽的激励信号ES。
步骤S1202，测量阻抗模块1响应于激励信号ES而输出响应信号RS的信号变化率；
在本申请的一些实施例中，测量控制模块30可以根据测量模块20测量响应信号RS的幅值来确定响应信号RS的信号变化率，例如，可以在测量电化学阻抗谱之前，提高测量模块20的测量频率预先地在短时间内测量多次响应信号RS的幅值，然后通过测量控制模块30计算得到响应信号RS的信号变化率，以便于在正式测量电化学阻抗谱时控制测量模块20的测量频率。在本申请的另外一些实施例中，本申请也可以直接利用测量控制模块30检测响应信号RS的信号变化率。
步骤S1203，根据信号变化率确定测量响应信号RS的测量频率；
在确定响应信号RS的信号变化率后，测量控制模块30可以根据信号变化率确定测量响应信号RS的测量频率。具体地，信号变化率与测量频率正相关，例如，信号变化率越大，测量模块20测量响应信号RS的测量频率越高；反之，信号变化率越小，测量模块20测量响应信号RS的测量频率越低。
步骤S1204，根据测量频率测量响应信号RS的幅值，并根据响应信号RS的幅值以及激励信号ES的幅值确定阻抗模块1的电化学阻抗谱；
在确定测量频率后，则测量模块20可以测量频率测量响应信号RS在时域上的幅值，然后测量模块20根据响应信号RS的幅值以及激励信号ES的幅值确定阻抗模块1的电化学阻抗谱。例如，测量模块20可以测量响应信号RS在时域上的幅值，然后通过傅里叶变换将响应信号RS在时域上的幅值改变为各频率上的幅值，以便于计算阻抗模块1在各频率的阻抗。
在本申请实施例中，本申请通过测量控制模块控制测量模块20的测量频率，并且信号变化率与测量频率正相关，意味着高次谐波的能量越高(信号变化率越大)，测量模块20测量响应信号RS的测量频率越高，高次谐波的能量越低(信号变化率越小)，测量模块20测量响应信号RS的测量频率越低。也就是说，本申请使得测量模块20的测量频率动态地跟随信号变化率变化，使得测量模块20的测量频率与高次谐波的能量匹配，最终通过改变测量模块20的测量频率减小三角波信号和/或者方波信号高次谐波混叠的现象，有利于在减小电化学阻抗测量电路100面积的同时提高电化学阻抗的测量精度。
在本申请的一些实施例中，电化学阻抗谱测量方法还包括：测量响应信号RS的幅值；根据响应信号RS的幅值控制放大响应信号RSO相对于响应信号RS的信号放大倍数。
需要说明的是，激励信号ES激励阻抗模块1输出的响应信号RS的幅值大小受到阻抗模块1的阻抗值影响，因此可能存在响应信号RS的幅值过小而导致模数转换单元22测量精度下降的问题。而在上述实施例中，由于通过信号放大单元21放大响应信号RS并输出响应放大信号RSO，响应信号RS的幅值越大时，则信号放大单元21的信号放大倍数越小，当响应信号RS的幅值越小时，则信号放大单元21的信号放大倍数越小，因此在测量控制模块30的控制下，信号放大单元21输出的响应放大信号RSO的幅值将稳定在一定的区间内，从而可以避免响应信号RS的幅值较小或者较大时而导致测量精度下降的问题。
本申请实施例还提供一种芯片，该芯片包括上述的电化学阻抗测量电路100。芯片(Integrated Circuit,IC)也称芯片，该芯片可以是但不限于是SOC(System on Chip，芯片级系统)芯片、SIP(systemin package,系统级封装)芯片。由于本申请的芯片具备上述实施例所述的电化学阻抗测量电路100，因此具备上述实施例中电化学阻抗测量电路100的全部有益效果，在此不再赘述。
本申请实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括设备主体以及设于设备主题内的如上述的芯片。电子设备可以是但不限于体重秤、体脂秤、营养秤、红外电子体温计、脉搏血氧仪、人体成分分析仪、移动电源、无线充电器、快充充电器、车载充电器、适配器、显示器、USB(Universal Serial Bus,通用串行总线)扩展坞、触控笔、真无线耳机、汽车中控屛、汽车、智能穿戴设备、移动终端、智能家居设备。智能穿戴设备包括但不限于智能手表、智能手环、颈椎按摩仪。移动终端包括但不限于智能手机、笔记本电脑、平板电脑、POS(point ofsales terminal,销售点终端)机。智能家居设备包括但不限于智能插座、智能电饭煲、智能扫地机、智能灯。
以上，仅是本申请的较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，虽然本申请已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本申请，任何本领域技术人员，在不脱离本申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。

Claims (14)

1.一种电化学阻抗测量电路，所述电化学阻抗测量电路用于测量阻抗模块的电化学阻抗谱，其特征在于，包括：
信号产生模块，所述信号产生模块用于生成具有预设带宽的激励信号，所述激励信号用于激励所述阻抗模块输出响应信号；
测量模块，所述测量模块用于测量所述响应信号，并根据所述激励信号以及所述响应信号，确定所述阻抗模块在所述预设带宽内的电化学阻抗谱；
测量控制模块，所述测量控制模块用于根据所述响应信号的信号变化率控制所述测量模块测量所述响应信号的测量频率。
2.如权利要求1所述的电化学阻抗测量电路，其特征在于，所述测量模块包括信号放大单元以及模数转换单元；
所述信号放大单元用于放大所述响应信号以输出响应放大信号，所述模数转换单元用于测量所述响应放大信号随时间变化的幅值。
3.如权利要求2所述的电化学阻抗测量电路，其特征在于，所述测量控制模块还用于根据所述响应信号的幅值控制所述信号放大单元的信号放大倍数；
其中，所述信号放大倍数与所述响应信号的幅值负相关。
4.如权利要求1所述的电化学阻抗测量电路，其特征在于，所述测量控制模块包括电流源单元、充电单元、比较单元、充电控制单元、计数单元以及逻辑单元；
所述电流源单元用于输出充电电流，所述充电单元用于接收所述充电电流进行充电并产生充电电压；
所述比较单元用于比较所述充电电压与所述响应信号并输出比较信号；
所述充电控制单元用于根据比较信号以及预设时钟信号输出充电控制信号，所述充电控制信号用于控制所述电流源单元间歇地输出所述充电电流；
所述计数单元用于记录所述充电控制信号为高电平信号的第一次数以及所述充电控制信号为低电平的第二次数；
所述逻辑单元用于根据所述计数单元的计数结果控制所述测量模块。
5.如权利要求4所述的电化学阻抗测量电路，其特征在于，所述充电单元包括接收所述充电电流的第一电容，所述第一电容的电容值和/或者所述充电电流的电流大小可调节；
当所述第一次数与所述第二次数的比值等于1时，所述逻辑单元根据所述第一电容的电容值、所述充电电流的电流大小以及所述预设时钟信号的占空比确定所述响应信号的信号变化率。
6.如权利要求4所述的电化学阻抗测量电路，其特征在于，当所述计数单元首次记录到高电平信号时，所述响应信号的幅值等于周期电压变化值与所述第二次数的乘积；或者
当所述计数单元首次记录到低电平信号时，所述响应信号的幅值等于周期电压变化值与所述第一次数的乘积；
其中，所述周期电压变化值为所述充电电压在所述预设时钟信号一个周期对应的电压变化量。
7.如权利要求4所述的电化学阻抗测量电路，其特征在于，所述充电控制单元包括触发器；
所述触发器的输入端与所述比较单元连接以接入所述比较信号，所述触发器的控制端接入所述预设时钟信号；
所述触发器的输出端与所述电流源单元连接以输出所述充电控制信号，且所述触发器的输出端与所述计数单元连接。
8.如权利要求4所述的电化学阻抗测量电路，其特征在于，所述电流源单元包括多个第一电流源、多个第一开关以及充电控制开关；
所述第一电流源与所述第一开关一一对应，每个所述第一开关的第一端与对应的所述第一电流源连接，每个所述第一开关的第二端与所述充电控制开关第一端连接；
所述充电控制开关的第二端与所述充电单元连接，所述充电控制开关的控制单元与所述充电控制单元连接以接入所述充电控制信号。
9.如权利要求4所述的电化学阻抗测量电路，其特征在于，所述充电单元包括第一电容以及复位开关；
所述第一电容的第一极板与所述电流源单元连接以接收所述充电电流，所述第一电容的第二极板与接地端连接；
所述复位开关的一端与所述第一电容的第一极板连接，另外一端与所述第一电容的第二极板连接。
10.如权利要求4所述的电化学阻抗测量电路，其特征在于，所述比较单元包括第一比较器；
所述第一比较器的第一输入端与所述充电单元连接以接入所述充电电压，所述第一比较器的第二输入端接入所述响应信号，所述第一比较器的输出端与所述充电控制单元连接。
11.一种电化学阻抗测量方法，所述电化学阻抗测量方法用于测量阻抗模块的电化学阻抗谱，其特征在于，包括：
向所述阻抗模块输入具有预设带宽的激励信号；
测量所述阻抗模块响应于所述激励信号而输出响应信号的信号变化率；
根据所述信号变化率确定测量所述响应信号的测量频率；
根据所述测量频率测量所述响应信号的幅值，并根据所述响应信号的幅值以及所述激励信号的幅值确定所述阻抗模块的电化学阻抗谱；
其中，所述激励信号包括三角波信号和/或者方波信号，且所述信号变化率与所述测量频率正相关。
12.如权利要求11所述的电化学阻抗测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
测量所述响应信号的幅值；
根据所述响应信号的幅值控制所述响应放大信号相对于所述响应信号的信号放大倍数。
13.一种芯片，其特征在于，包括如权利要求1至10任一项所述电化学阻抗测量电路。
14.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求13所述的芯片。
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