应用笔记4268

超小型UCSP™封装器件改善便携设备的电池管理

Maurizio Gavardoni, 产品定义

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。
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
VBAT (V) VSENSE (mV) VOUT (V)
4.5 53.777 2.6847
4.3 51.807 2.5865
4.2 50.639 2.5283
4.0 48.18 2.4054
3.8 45.674 2.2805
3.6 43.518 2.1728
3.4 41.142 2.0544
3.2 38.621 1.9285
3.0 35.997 1.7977
2.8 33.734 1.6847

图2. MAX9938F的增益曲线
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
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。



¹关于Maxim UCSP封装的更多信息,请参见应用笔记1891:“晶片级封装(WLP)及其应用”。

UCSP是Maxim Integrated Products, Inc.的商标。



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