攜式設(shè)備系統(tǒng)中紐扣電池電壓等級監(jiān)控

監(jiān)視便攜式設(shè)備或配套服務(wù)系統(tǒng)中紐扣電池的電壓等級，對現(xiàn)代 CMOS 運算放大器來說是一項常見的簡單應(yīng)用。

圖 1 是一個使用 1.8V OPA333 零漂移運算放大器的實施方案。紐扣電池的電壓是 3V，該電路采用 3 至 5V 電壓級供電。

奇怪的是，我聽有客戶反映，紐扣電池在這類電路中的使用壽命要比預(yù)期的短很多；只能用幾天或幾個小時！這些客戶發(fā)現(xiàn)在移走運算放大器后，紐扣電池保持帶電狀態(tài)。這引起了我的好奇，于是開始調(diào)查到底發(fā)生了什么事。

圖 1 — 連接 OPA333 單位增益放大器，監(jiān)控紐扣電池電壓

鋰電池 CR2032 是一款常見的紐扣電池，額定容量 175 mAh，提供 200uA 連續(xù)電流。OPA333 的輸入偏置電流一般是 70pA，幾年也不會耗盡紐扣電池的電量?？赡苡衅渌裁措娐废牧穗姵?。對 OPA333 內(nèi)部原理圖進(jìn)行仔細(xì)觀察后，發(fā)現(xiàn)了一種貌似合理的放電情境。

圖 2 是放大器內(nèi)核及其輸入 ESD 保護(hù)的方框圖。別忘了大部分 IC 在電路斷開處理過程中都具有 ESD 保護(hù)功能。ESD 單元在正常工作條件下關(guān)閉。

OPA333 的 ESD 輸入保護(hù)功能在每個輸入端與電源線路之間連接有低漏轉(zhuǎn)向二極管。ESD 鉗位連接在這些線路之間。這些二極管通常是反向偏置。但是，如果電源電壓 V+ 被關(guān)閉，變?yōu)楦咦杩?，那么二極管 D3 會變成正向偏置。然后，放大器內(nèi)核以及連接 V+ 的任何組件都會從紐扣電池消耗電流。

OPA333 靜態(tài)電流只有 17uA，因此很可能是連接至 +V 電源線路的其它組件也在消耗電流。

圖 2 — 內(nèi)部方框圖顯示了從非反相輸入端通過 D3 到 +V 電源線路的電流路徑

有些運算放大器有關(guān)斷引腳。當(dāng)處于這種模式下時，它們會消耗極少量的電源電流。但是，如果 ESD 單元使用圖 2 中的設(shè)計方案，該二極管仍可傳導(dǎo)電流。

解決方案是采用支持不同 ESD 單元設(shè)計的運算放大器。

圖 3 是在 TLV2450 軌至軌輸入／輸出運算放大器中使用的 ESD 單元設(shè)計。它采用一個類似于齊納二極管的快速低漏鉗位。在 ESD 事件過程中，它不僅可快速接通，而且還可將所應(yīng)用的電壓限制在安全水平下。沒有針對 VDD 引腳的內(nèi)部電流路徑。

圖 3 — TLV2450 使用內(nèi)部 ESD 鉗位。在輸入端與 VDD 引腳之間沒有內(nèi)部電流路徑。

對于工程師來說，可能很難確定放大器所使用的 ESD 單元。但在放大器產(chǎn)品說明書中可以找到提示。在查看絕對最大額定值時，如果信號輸入范圍是 -0.3V 至 (V+) + 0.3V，那么 0.3V 就是確保 ESD 二極管保持關(guān)斷狀態(tài)的界限。如果較高，二極管可能會導(dǎo)通。