超小型UCSP封裝器件改善便攜設(shè)備的電池管理

     摘要：這篇應(yīng)用筆記主要討論智能電話、手機及其它便攜設(shè)備中的電池管理。介紹了如何利用簡單的超小尺寸、超低功耗器件(例如：電流檢測放大器和一個比較器)解決電池剩余電量的估算以及電池過流保護等問題。

　　引言

　　智能電話、手機及其它便攜設(shè)備要求越來越小的外形尺寸和功耗。同時，設(shè)備的復(fù)雜性和功能卻持續(xù)增加。由此可見，每個功能電路所能占用的空間正在以驚人的速度下降。

　　這篇應(yīng)用筆記介紹了一個簡單、節(jié)省空間的方法，用于解決便攜產(chǎn)品的兩個主要問題。首先介紹其高精度、超低功耗的電池剩余電量估算功能；然后介紹其結(jié)構(gòu)緊湊的低功耗Li+電池過流保護功能。

　　Li+電池電流監(jiān)測

　　精確測量負(fù)載的電流損耗可以估算Li+電池的剩余電量，在Li+電池和負(fù)載之間連接一個小的檢流電阻，可以在電阻上產(chǎn)生正比于負(fù)載電流的壓降。檢流放大器用于檢測電阻上的壓降(典型值為幾十mV)，并根據(jù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的動態(tài)范圍對信號進行放大，得到適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷?。這種轉(zhuǎn)換器通常集成在RF芯片組或電源管理集成電路(PMIC)內(nèi)，檢流放大器應(yīng)盡可能采用同相配置。這種應(yīng)用對電路要求主要有兩點：小尺寸和低功耗，這也是便攜設(shè)備極具吸引力的特性。

　　圖1所示為MAX9938檢流放大器，室溫下(25°C)，器件具有低于1µA (最大值)的超低靜態(tài)電流，采用微型1mm x 1mm、4焊球UCSP (超晶片級封裝)。晶片級封裝是一種IC封裝工藝，用焊球代替引腳，從而獲得最小的封裝尺寸¹。檢流放大器的低輸入失調(diào)電壓能夠保證檢流電阻的壓降最小，從而使檢流電阻本身的功耗降至最小。

　　在智能電話等典型的便攜式設(shè)備中，發(fā)射模式下的峰值電流可能達到1A。假設(shè)ADC的滿量程電壓為2.5V，對于固定增益為50的MAX9938F，可以使用50mΩ的檢流電阻。因此，檢流電阻兩端的最大壓降為50mV，最大功耗是50mW。采用最大輸入失調(diào)電壓小于500µV的放大器，由此引入的誤差將限制在峰值電流的1%以內(nèi)。

　　如果系統(tǒng)要求更高的檢測精度，可以使用100mΩ的檢流電阻和固定增益為25的MAX9938T。失調(diào)誤差可以減小到峰值電流的0.5%，但檢流電阻的功耗加倍。

圖1. MAX9938F檢流放大器用于測量電池電流，而MAX9061比較器用于檢測過流事件。

　　過流保護

　　如果電路中使用了故障元件，或者有些情況同時啟動過多的軟件操作，可能會發(fā)生過流。無論是哪種原因，必須以中斷形式將這種故障狀況通知中央處理器。

　　便攜應(yīng)用中，最好采用MAX9061比較器實現(xiàn)過流保護(圖1)。MAX9061采用創(chuàng)新設(shè)計，由作用在同相輸入端的基準(zhǔn)電壓為其內(nèi)部電路供電，該電壓可以在0.9V至5.5V范圍內(nèi)。反相輸入可以低至-0.3V，高達5.5V，與基準(zhǔn)電壓無關(guān)。采用漏極開路輸出，所以需要外部上拉電阻，多數(shù)情況下可以借助微控制器的內(nèi)部上拉電阻。獨特的創(chuàng)新架構(gòu)使得該比較器可以集成在超小尺寸的1mm x 1mm、4焊球UCSP封裝內(nèi)。

　　圖1中，MAX9061的輸入連接到檢流放大器的輸出，最大電壓為2.5V，該電壓對應(yīng)于峰值電池電流?；鶞?zhǔn)電壓可以連接到電壓高于峰值輸入的低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器，例如2.7V。當(dāng)MAX9061輸入高于基準(zhǔn)電壓時，比較器輸出被置為低電平，產(chǎn)生一次中斷。

　　MAX9061除了具有尺寸等同于2個0402電阻的小封裝優(yōu)勢外，還具有超低功耗，僅消耗100nA (最大值)的偏置電流。為降低電流，可以使用盡可能大的上拉電阻，因為中斷是在比較器的下降沿產(chǎn)生的，下降時間與上拉電阻的阻值無關(guān)。如果需要極性相反的輸出，可以選擇MAX9060，當(dāng)基準(zhǔn)電壓高于輸入電壓時，比較器輸出低電平。

　　電路測試

　　對圖1電路進行測試，利用一個電壓源代替電池，假設(shè)Li+電池充滿時的最高電壓為4.2V，該電源經(jīng)過檢流電阻為負(fù)載提供1A的電流。電壓源可以按照電池放電的規(guī)律逐漸降至2.8V。表1給出了測試結(jié)果，圖2為MAX9938F的增益曲線，利用兩個測試點，可以得到實際器件測試的增益誤差為0.21%。

表1. MAX9938F的輸入(VSENSE)和輸出(VOUT)測量

圖2. MAX9938F的增益曲線

　　然后將電壓源設(shè)置在4.5V以上，模擬大于1A的過流條件。圖3所示為MAX9061的響應(yīng)特性，產(chǎn)生一次中斷。

圖3. MAX9061在過流條件下產(chǎn)生從高到低的中斷信號

　　結(jié)論

　　目前，隨著便攜產(chǎn)品的外形尺寸越來越小，對高精度、緊湊IC的需求也不斷增加。這篇應(yīng)用筆記介紹了如何利用微小的、4焊球UCSP封裝的檢流放大器和比較器實現(xiàn)簡單的電池管理功能，例如：電池剩余電量估算和過流保護。