超小型UCSP封装器件改善便携设备的电池管理
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。
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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。
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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。
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图2. max9938f的增益曲线
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图3. max9061在过流条件下产生从高到低的中断信号
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