引言

　　智能電話、手機及其它便攜設備要求越來越小的外形尺寸和功耗。同時，設備的復雜性和功能卻持續增加。由此可見，每個功能電路所能占用的空間正在以驚人的速度下降。這篇應用筆記介紹了一個簡單、節省空間的方法，用于解決便攜產品的兩個主要問題。首先介紹其高精度、超低功耗的電池剩余電量估算功能；然后介紹其結構緊湊的低功耗Li+電池過流保護功能。

　　Li+電池電流監測

　　精確測量負載的電流損耗可以估算Li+電池的剩余電量，在Li+電池和負載之間連接一個小的檢流電阻，可以在電阻上產生正比于負載電流的壓降。檢流放大器用于檢測電阻上的壓降（典型值為幾十mV），并根據模/數轉換器（ADC）的動態范圍對信號進行放大，得到適當的輸出電壓。這種轉換器通常集成在RF芯片組或電源管理集成電路（PMIC）內，檢流放大器應盡可能采用同相配置。這種應用對電路要求主要有兩點：小尺寸和低功耗，這也是便攜設備極具吸引力的特性。

　　圖1所示為MAX9938檢流放大器，室溫下（25°C），器件具有低于1μA （最大值）的超低靜態電流，采用微型1mm x 1mm、4焊球UCSP （超晶片級封裝）。晶片級封裝是一種IC封裝工藝，用焊球代替引腳，從而獲得最小的封裝尺寸1。檢流放大器的低輸入失調電壓能夠保證檢流電阻的壓降最小，從而使檢流電阻本身的功耗降至最小。

　　在智能電話等典型的便攜式設備中，發射模式下的峰值電流可能達到1A。假設ADC的滿量程電壓為2.5V，對于固定增益為50的MAX9938F，可以使用50mΩ的檢流電阻。因此，檢流電阻兩端的最大壓降為50mV，最大功耗是50mW。采用最大輸入失調電壓小于500μV的放大器，由此引入的誤差將限制在峰值電流的1%以內。

　　如果系統要求更高的檢測精度，可以使用100mΩ的檢流電阻和固定增益為25的MAX9938T。失調誤差可以減小到峰值電流的0.5%，但檢流電阻的功耗加倍。

　　圖1. MAX9938F檢流放大器用于測量電池電流，而MAX9061比較器用于檢測過流事件

　　過流保護

　　如果電路中使用了故障元件，或者有些情況同時啟動過多的軟件操作，可能會發生過流。無論是哪種原因，必須以中斷形式將這種故障狀況通知中央處理器。

　　便攜應用中，最好采用MAX9061比較器實現過流保護（圖1）。MAX9061采用創新設計，由作用在同相輸入端的基準電壓為其內部電路供電，該電壓可以在0.9V至5.5V范圍內。反相輸入可以低至-0.3V，高達5.5V，與基準電壓無關。采用漏極開路輸出，所以需要外部上拉電阻，多數情況下可以借助微控制器的內部上拉電阻。獨特的創新架構使得該比較器可以集成在超小尺寸的1mm x 1mm、4焊球UCSP封裝內。

　　圖1中，MAX9061的輸入連接到檢流放大器的輸出，最大電壓為2.5V，該電壓對應于峰值電池電流。基準電壓可以連接到電壓高于峰值輸入的低壓差（LDO）線性穩壓器，例如2.7V。當MAX9061輸入高于基準電壓時，比較器輸出被置為低電平，產生一次中斷。

　　MAX9061除了具有尺寸等同于2個0402電阻的小封裝優勢外，還具有超低功耗，僅消耗100nA （最大值）的偏置電流。為降低電流，可以使用盡可能大的上拉電阻，因為中斷是在比較器的下降沿產生的，下降時間與上拉電阻的阻值無關。如果需要極性相反的輸出，可以選擇MAX9060，當基準電壓高于輸入電壓時，比較器輸出低電平。

　　電路測試

　　對圖1電路進行測試，利用一個電壓源代替電池，假設Li+電池充滿時的最高電壓為4.2V，該電源經過檢流電阻為負載提供1A的電流。電壓源可以按照電池放電的規律逐漸降至2.8V。表1給出了測試結果，圖2為MAX9938F的增益曲線，利用兩個測試點，可以得到實際器件測試的增益誤差為0.21%。

　　表1. MAX9938F的輸入（VSENSE）和輸出（VOUT）測量

　　圖2. MAX9938F的增益曲線

　　然后將電壓源設置在4.5V以上，模擬大于1A的過流條件。圖3所示為MAX9061的響應特性，產生一次中斷。

　　圖3. MAX9061在過流條件下產生從高到低的中斷信號

　　結論

　　目前，隨著便攜產品的外形尺寸越來越小，對高精度、緊湊IC的需求也不斷增加。這篇應用筆記介紹了如何利用微小的、4焊球UCSP封裝的檢流放大器和比較器實現簡單的電池管理功能，例如：電池剩余電量估算和過流保護。


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