超小型UCSP器件改善了便携式应用中的电池管理

本应用笔记重点介绍智能手机、手机和其他便携式设备的电池管理。本文介绍了如何通过非常简单的超小型和超低功耗器件（如电流检测放大器和比较器）来解决估算剩余电池寿命和实现电池过流保护的问题。

介绍

智能手机、手机和其他便携式设备需要越来越小的外形尺寸和超低功耗。同时，此类设备的复杂性和功能数量不断增加。因此，每个功能的可用空间正在以惊人的速度减少。

本应用笔记介绍了解决便携式应用所需的两个常见特性的简单、节省空间的方法。首先，它描述了一种高精度、超低功耗的解决方案，用于估算剩余电池寿命。然后，它详细介绍了一种紧凑、省电的解决方案，用于保护电路和Li+电池免受过流情况的影响。

Li+电池电流监测

剩余的Li+电池寿命可以通过精确测量负载不断消耗的电流来估计。可以在Li+电池和负载之间插入一个小的检测电阻，从而产生与负载电流成比例的电压。然后可以使用电流检测放大器来检测该小电压（通常为几十mV）并将其放大，以产生适合模数转换器（ADC）动态范围的输出电压。这种转换器通常位于RF芯片组或电源管理集成电路（PMIC）内部。电流检测放大器应尽可能无创;因此，两个基本要求是小尺寸和低功耗，这两者都是便携式设备制造商非常有吸引力的功能。

图1所示为MAX9938电流检测放大器。该器件在环境温度 （1°C） 下具有低于 25μA （最大值） 的超低静态电流消耗，采用纤巧型 1mm x 1mm、4 焊球 UCSP （超芯片级封装）。芯片级是一种IC封装技术，其中焊球代替引脚，允许最小的封装。 该电流检测放大器的低输入失调电压可确保检测电阻两端的压降最小，从而降低电阻器本身的功耗。

在智能手机等典型的便携式设备中，传输模式下的峰值电流最高可达1A。假设ADC满量程为2.5V，MAX50F可以使用9938mΩ检测电阻，固定增益为50。利用这些值，检测电阻两端的最大电压为50mV，其最大功耗为50mW。当最大输入失调电压小于500μV时，这种失调引起的误差被限制在峰值电流值的1%以下。

如果需要更好的精度，可以使用MAX100T的9938mΩ检测电阻，其固定增益为25。失调误差减小到峰值电流值的0.5%;但是，检测电阻的功耗增加了一倍。

图1.MAX9938F电流检测放大器用于测量电池电流，MAX9061比较器用于检测过流情况。

过流保护

过流情况可能是由于电路中的元件故障，或者有时当同时打开太多软件应用程序时。无论出于何种原因，此类异常情况都必须立即以中断的形式传达给中央处理器。

MAX9061等比较器非常适合在便携式设备中实现过流保护（图1）。MAX9061采用创新技术，从施加于正输入端的基准电压（0.9V至5.5V）自供电。负输入可低至-0.3V，高至5.5V;它与基准电压无关，因此可以更高。输出为漏极开路，需要一个外部上拉电阻，在许多情况下，该上拉电阻可以位于微控制器内部。这种独特而创新的架构使比较器能够采用四端子封装，例如超纤巧、1mm x 1mm、4焊球UCSP。

如图1所示，MAX9061的输入端连接到检流放大器的输出端，其最大电压为2.5V，对应于电池峰值电流。基准电压源可连接至电压较高（如2.7V）的低压差（LDO）线性稳压器。当MAX9061的输入高于基准时，比较器输出置为低电平并产生中断。

MAX0402除了提供小至两个9061电阻的微型封装优势外，还是一款超低功耗器件，仅消耗100nA （最大值）偏置电流。如果目的是最小化流经上拉电阻的电流，则上拉电阻可以任意高，因为中断是在比较器的下降沿上产生的。下降时间与上拉电阻值无关。如果需要反向输出极性，可以使用MAX9060，当基准高于输入电压时，输出为低电平。

电路测试

图1电路使用电压发生器代替电池进行测试，并假设充满电的Li+电池的最大电压为4.2V，通过检测电阻和负载产生1A电流。电压发生器一直降低到2.8V，这代表了电池寿命结束的条件。表1给出了测量结果，图2给出了MAX9938F的增益曲线。通过两点测量，被测特定器件的增益误差为0.21%。

 

V.BAT（五）	V意义（毫伏）	V外（五）
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

然后将电压发生器设置为高于4.5V，以模拟超过1A的过流条件。图3所示为产生中断的MAX9061的响应。

图3.MAX9061对过流情况的高低响应。

结论

当今便携式应用的外壳不断缩小，因此需要高精度、紧凑的IC。本应用笔记介绍了如何使用采用纤巧型4焊球UCSP封装的超低功耗电流检测放大器和比较器等非侵入式元件实现简单的电池管理功能，如电池寿命估计和过流保护。

审核编辑：郭婷