废弃纽扣电池的秘密

作者:Thomas Kuehl  德州仪器

监视便携式设备或配套服务系统中纽扣电池的电压等级,对现代 CMOS 运算放大器来说是一项常见的简单应用。

图 1 是一个使用 1.8V OPA333 零漂移运算放大器的实施方案。纽扣电池的电压是 3V,该电路采用 3 至 5V 电压级供电。

奇怪的是,我听有客户反映,纽扣电池在这类电路中的使用寿命要比预期的短很多;只能用几天或几个小时!这些客户发现在移走运算放大器后,纽扣电池保持带电状态。这引起了我的好奇,于是开始调查到底发生了什么事。

1 — 连接 OPA333 单位增益放大器,监控纽扣电池电压

锂电池 CR2032 是一款常见的纽扣电池,额定容量 175 mAh,提供 200uA 连续电流。OPA333 的输入偏置电流一般是 70pA,几年也不会耗尽纽扣电池的电量。可能有其它什么电路消耗了电池。对 OPA333 内部原理图进行仔细观察后,发现了一种貌似合理的放电情境。

图 2 是放大器内核及其输入 ESD 保护的方框图。别忘了大部分 IC 在电路断开处理过程中都具有 ESD 保护功能。ESD 单元在正常工作条件下关闭。

OPA333 的 ESD 输入保护功能在每个输入端与电源线路之间连接有低漏转向二极管。ESD 钳位连接在这些线路之间。这些二极管通常是反向偏置。但是,如果电源电压 V+ 被关闭,变为高阻抗,那么二极管 D3 会变成正向偏置。然后,放大器内核以及连接 V+ 的任何组件都会从纽扣电池消耗电流。

OPA333 静态电流只有 17uA,因此很可能是连接至 +V 电源线路的其它组件也在消耗电流。

2 — 内部方框图显示了从非反相输入端通过 D3 到 +V 电源线路的电流路径

有些运算放大器有关断引脚。当处于这种模式下时,它们会消耗极少量的电源电流。但是,如果 ESD 单元使用图 2 中的设计方案,该二极管仍可传导电流。

解决方案是采用支持不同 ESD 单元设计的运算放大器。

图 3 是在 TLV2450 轨至轨输入/输出运算放大器中使用的 ESD 单元设计。它采用一个类似于齐纳二极管的快速低漏钳位。在 ESD 事件过程中,它不仅可快速接通,而且还可将所应用的电压限制在安全水平下。没有针对 VDD 引脚的内部电流路径。

3 — TLV2450 使用内部 ESD 钳位。在输入端与 VDD 引脚之间没有内部电流路径。

对于工程师来说,可能很难确定放大器所使用的 ESD 单元。但在放大器产品说明书中可以找到提示。在查看绝对最大额定值时,如果信号输入范围是 -0.3V 至 (V+) + 0.3V,那么 0.3V 就是确保 ESD 二极管保持关断状态的界限。如果较高,二极管可能会导通。

 

原文请参见: http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisiondesignshub/archive/2014/02/11/the-mystery-of-the-depleted-coin-cell.aspx

  • 与刚才看到的一篇文章有类似之处, ESD 二极管在非正常模式下变成通路了,以后电路设计,芯片选型该多多注意了

  • 怎样解决这一问题呢??有没有好的方法??

  • 不错的文章,在很多低功耗的场合,都是使用电池供电。TI的MSP430是以低功耗著称。本文解释了使用放大器的时候纽扣电池在这类电路中的使用寿命要比预期的短很多的原因是放大器等芯片具有ESD 单元,且漏电流比较大。我觉得如果要解决这个问题,可以采用一个电子开关进行关断这些引脚,进而降低功耗。

  • 这个是不是应该加到产品的数据手册里,问题太隐避了,而且解决方案也比较特别。

  • 方框图中描述出来,选型时候就好选了