超小型UCSP器件改善了便攜式應(yīng)用中的電池管理

本應(yīng)用筆記重點介紹智能手機(jī)、手機(jī)和其他便攜式設(shè)備的電池管理。本文介紹了如何通過非常簡單的超小型和超低功耗器件（如電流檢測放大器和比較器）來解決估算剩余電池壽命和實現(xiàn)電池過流保護(hù)的問題。

介紹

智能手機(jī)、手機(jī)和其他便攜式設(shè)備需要越來越小的外形尺寸和超低功耗。同時，此類設(shè)備的復(fù)雜性和功能數(shù)量不斷增加。因此，每個功能的可用空間正在以驚人的速度減少。

本應(yīng)用筆記介紹了解決便攜式應(yīng)用所需的兩個常見特性的簡單、節(jié)省空間的方法。首先，它描述了一種高精度、超低功耗的解決方案，用于估算剩余電池壽命。然后，它詳細(xì)介紹了一種緊湊、省電的解決方案，用于保護(hù)電路和Li+電池免受過流情況的影響。

Li+電池電流監(jiān)測

剩余的Li+電池壽命可以通過精確測量負(fù)載不斷消耗的電流來估計?？梢栽贚i+電池和負(fù)載之間插入一個小的檢測電阻，從而產(chǎn)生與負(fù)載電流成比例的電壓。然后可以使用電流檢測放大器來檢測該小電壓（通常為幾十mV）并將其放大，以產(chǎn)生適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）動態(tài)范圍的輸出電壓。這種轉(zhuǎn)換器通常位于RF芯片組或電源管理集成電路（PMIC）內(nèi)部。電流檢測放大器應(yīng)盡可能無創(chuàng);因此，兩個基本要求是小尺寸和低功耗，這兩者都是便攜式設(shè)備制造商非常有吸引力的功能。

圖1所示為MAX9938電流檢測放大器。該器件在環(huán)境溫度 （1°C） 下具有低于 25μA （最大值） 的超低靜態(tài)電流消耗，采用纖巧型 1mm x 1mm、4 焊球 UCSP （超芯片級封裝）。芯片級是一種IC封裝技術(shù)，其中焊球代替引腳，允許最小的封裝。 該電流檢測放大器的低輸入失調(diào)電壓可確保檢測電阻兩端的壓降最小，從而降低電阻器本身的功耗。

在智能手機(jī)等典型的便攜式設(shè)備中，傳輸模式下的峰值電流最高可達(dá)1A。假設(shè)ADC滿量程為2.5V，MAX50F可以使用9938mΩ檢測電阻，固定增益為50。利用這些值，檢測電阻兩端的最大電壓為50mV，其最大功耗為50mW。當(dāng)最大輸入失調(diào)電壓小于500μV時，這種失調(diào)引起的誤差被限制在峰值電流值的1%以下。

如果需要更好的精度，可以使用MAX100T的9938mΩ檢測電阻，其固定增益為25。失調(diào)誤差減小到峰值電流值的0.5%;但是，檢測電阻的功耗增加了一倍。

圖1.MAX9938F電流檢測放大器用于測量電池電流，MAX9061比較器用于檢測過流情況。

過流保護(hù)

過流情況可能是由于電路中的元件故障，或者有時當(dāng)同時打開太多軟件應(yīng)用程序時。無論出于何種原因，此類異常情況都必須立即以中斷的形式傳達(dá)給中央處理器。

MAX9061等比較器非常適合在便攜式設(shè)備中實現(xiàn)過流保護(hù)（圖1）。MAX9061采用創(chuàng)新技術(shù)，從施加于正輸入端的基準(zhǔn)電壓（0.9V至5.5V）自供電。負(fù)輸入可低至-0.3V，高至5.5V;它與基準(zhǔn)電壓無關(guān)，因此可以更高。輸出為漏極開路，需要一個外部上拉電阻，在許多情況下，該上拉電阻可以位于微控制器內(nèi)部。這種獨特而創(chuàng)新的架構(gòu)使比較器能夠采用四端子封裝，例如超纖巧、1mm x 1mm、4焊球UCSP。

如圖1所示，MAX9061的輸入端連接到檢流放大器的輸出端，其最大電壓為2.5V，對應(yīng)于電池峰值電流?；鶞?zhǔn)電壓源可連接至電壓較高（如2.7V）的低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器。當(dāng)MAX9061的輸入高于基準(zhǔn)時，比較器輸出置為低電平并產(chǎn)生中斷。

MAX0402除了提供小至兩個9061電阻的微型封裝優(yōu)勢外，還是一款超低功耗器件，僅消耗100nA （最大值）偏置電流。如果目的是最小化流經(jīng)上拉電阻的電流，則上拉電阻可以任意高，因為中斷是在比較器的下降沿上產(chǎn)生的。下降時間與上拉電阻值無關(guān)。如果需要反向輸出極性，可以使用MAX9060，當(dāng)基準(zhǔn)高于輸入電壓時，輸出為低電平。

電路測試

圖1電路使用電壓發(fā)生器代替電池進(jìn)行測試，并假設(shè)充滿電的Li+電池的最大電壓為4.2V，通過檢測電阻和負(fù)載產(chǎn)生1A電流。電壓發(fā)生器一直降低到2.8V，這代表了電池壽命結(jié)束的條件。表1給出了測量結(jié)果，圖2給出了MAX9938F的增益曲線。通過兩點測量，被測特定器件的增益誤差為0.21%。

圖2.MAX9938F的增益曲線

然后將電壓發(fā)生器設(shè)置為高于4.5V，以模擬超過1A的過流條件。圖3所示為產(chǎn)生中斷的MAX9061的響應(yīng)。

圖3.MAX9061對過流情況的高低響應(yīng)。

結(jié)論

當(dāng)今便攜式應(yīng)用的外殼不斷縮小，因此需要高精度、緊湊的IC。本應(yīng)用筆記介紹了如何使用采用纖巧型4焊球UCSP封裝的超低功耗電流檢測放大器和比較器等非侵入式元件實現(xiàn)簡單的電池管理功能，如電池壽命估計和過流保護(hù)。

審核編輯：郭婷