超小型UCSP封装器件改善便携设备的电池管理

     摘要：这篇应用笔记主要讨论智能电话、手机及其它便携设备中的电池管理。介绍了如何利用简单的超小尺寸、超低功耗器件(例如：电流检测放大器和一个比较器)解决电池剩余电量的估算以及电池过流保护等问题。

　　引言

　　智能电话、手机及其它便携设备要求越来越小的外形尺寸和功耗。同时，设备的复杂性和功能却持续增加。由此可见，每个功能电路所能占用的空间正在以惊人的速度下降。

　　这篇应用笔记介绍了一个简单、节省空间的方法，用于解决便携产品的两个主要问题。首先介绍其高精度、超低功耗的电池剩余电量估算功能；然后介绍其结构紧凑的低功耗Li+电池过流保护功能。

　　Li+电池电流监测

　　精确测量负载的电流损耗可以估算Li+电池的剩余电量，在Li+电池和负载之间连接一个小的检流电阻，可以在电阻上产生正比于负载电流的压降。检流放大器用于检测电阻上的压降(典型值为几十mV)，并根据模/数转换器(ADC)的动态范围对信号进行放大，得到适当的输出电压。这种转换器通常集成在RF芯片组或电源管理集成电路(PMIC)内，检流放大器应尽可能采用同相配置。这种应用对电路要求主要有两点：小尺寸和低功耗，这也是便携设备极具吸引力的特性。

　　图1所示为MAX9938检流放大器，室温下(25°C)，器件具有低于1µA (最大值)的超低静态电流，采用微型1mm x 1mm、4焊球UCSP (超晶片级封装)。晶片级封装是一种IC封装工艺，用焊球代替引脚，从而获得最小的封装尺寸¹。检流放大器的低输入失调电压能够保证检流电阻的压降最小，从而使检流电阻本身的功耗降至最小。

　　在智能电话等典型的便携式设备中，发射模式下的峰值电流可能达到1A。假设ADC的满量程电压为2.5V，对于固定增益为50的MAX9938F，可以使用50mΩ的检流电阻。因此，检流电阻两端的最大压降为50mV，最大功耗是50mW。采用最大输入失调电压小于500µV的放大器，由此引入的误差将限制在峰值电流的1%以内。

　　如果系统要求更高的检测精度，可以使用100mΩ的检流电阻和固定增益为25的MAX9938T。失调误差可以减小到峰值电流的0.5%，但检流电阻的功耗加倍。

图1. MAX9938F检流放大器用于测量电池电流，而MAX9061比较器用于检测过流事件。

　　过流保护

　　如果电路中使用了故障元件，或者有些情况同时启动过多的软件操作，可能会发生过流。无论是哪种原因，必须以中断形式将这种故障状况通知中央处理器。

　　便携应用中，最好采用MAX9061比较器实现过流保护(图1)。MAX9061采用创新设计，由作用在同相输入端的基准电压为其内部电路供电，该电压可以在0.9V至5.5V范围内。反相输入可以低至-0.3V，高达5.5V，与基准电压无关。采用漏极开路输出，所以需要外部上拉电阻，多数情况下可以借助微控制器的内部上拉电阻。独特的创新架构使得该比较器可以集成在超小尺寸的1mm x 1mm、4焊球UCSP封装内。

　　图1中，MAX9061的输入连接到检流放大器的输出，最大电压为2.5V，该电压对应于峰值电池电流。基准电压可以连接到电压高于峰值输入的低压差(LDO)线性稳压器，例如2.7V。当MAX9061输入高于基准电压时，比较器输出被置为低电平，产生一次中断。

　　MAX9061除了具有尺寸等同于2个0402电阻的小封装优势外，还具有超低功耗，仅消耗100nA (最大值)的偏置电流。为降低电流，可以使用尽可能大的上拉电阻，因为中断是在比较器的下降沿产生的，下降时间与上拉电阻的阻值无关。如果需要极性相反的输出，可以选择MAX9060，当基准电压高于输入电压时，比较器输出低电平。

　　电路测试

　　对图1电路进行测试，利用一个电压源代替电池，假设Li+电池充满时的最高电压为4.2V，该电源经过检流电阻为负载提供1A的电流。电压源可以按照电池放电的规律逐渐降至2.8V。表1给出了测试结果，图2为MAX9938F的增益曲线，利用两个测试点，可以得到实际器件测试的增益误差为0.21%。

表1. MAX9938F的输入(VSENSE)和输出(VOUT)测量

图2. MAX9938F的增益曲线

　　然后将电压源设置在4.5V以上，模拟大于1A的过流条件。图3所示为MAX9061的响应特性，产生一次中断。

图3. MAX9061在过流条件下产生从高到低的中断信号

　　结论

　　目前，随着便携产品的外形尺寸越来越小，对高精度、紧凑IC的需求也不断增加。这篇应用笔记介绍了如何利用微小的、4焊球UCSP封装的检流放大器和比较器实现简单的电池管理功能，例如：电池剩余电量估算和过流保护。