低功耗1節(jié)電池電量計(jì)MAX17055：ModelGauge m5 EZ算法的卓越應(yīng)用

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確測(cè)量電池電量至關(guān)重要。今天，我們來(lái)深入了解一款低功耗的1節(jié)電池電量計(jì)——MAX17055，它采用了Maxim ModelGauge? m5 EZ算法，為電池電量測(cè)量帶來(lái)了新的解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

MAX17055是一款工作電流僅7μA的低功耗電量計(jì)，它實(shí)現(xiàn)了Maxim ModelGauge? m5 EZ算法。該算法的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需進(jìn)行電池特性表征，簡(jiǎn)化了主機(jī)軟件交互，為電量計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供了極大的便利。

（一）算法優(yōu)勢(shì)

ModelGauge m5 EZ算法結(jié)合了庫(kù)侖計(jì)數(shù)器的短期精度和線(xiàn)性度，以及基于電壓的電量計(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并具備溫度補(bǔ)償功能，提供了行業(yè)領(lǐng)先的電量計(jì)精度。它能夠自動(dòng)補(bǔ)償電池老化、溫度和放電率的影響，準(zhǔn)確提供電池的充電狀態(tài)（SOC，以百分比表示）和剩余容量（以毫安時(shí)mAh表示）。當(dāng)電池接近電量耗盡的臨界區(qū)域時(shí)，該算法會(huì)啟動(dòng)特殊的補(bǔ)償機(jī)制，消除任何誤差。此外，它還提供了三種報(bào)告電池老化的方法：容量降低、電池電阻增加和循環(huán)里程計(jì)。

（二）測(cè)量功能

MAX17055能夠精確測(cè)量電流、電壓和溫度。電池組的溫度可以通過(guò)內(nèi)部溫度測(cè)量或外部熱敏電阻進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)2線(xiàn)I2C接口，用戶(hù)可以訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)和控制寄存器。

（三）封裝形式

MAX17055提供兩種封裝形式：微小的無(wú)鉛0.4mm間距1.4mm x 1.5mm、9引腳WLP封裝，以及2mm x 2.5mm、10引腳TDFN封裝，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

二、產(chǎn)品特性與優(yōu)勢(shì)

（一）ModelGauge m5 EZ算法特性

1. 無(wú)需特性表征：無(wú)需對(duì)電池進(jìn)行特性表征即可實(shí)現(xiàn)出色的性能，減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。
2. 抗電池差異能力強(qiáng)：對(duì)大多數(shù)鋰電池和應(yīng)用中的電池差異具有較強(qiáng)的耐受性，確保了在不同電池條件下的穩(wěn)定性能。
3. 消除接近空電壓時(shí)的誤差：在電池接近電量耗盡時(shí)，能夠有效消除誤差，提供準(zhǔn)確的電量信息。
4. 消除庫(kù)侖計(jì)數(shù)器漂移：避免了傳統(tǒng)庫(kù)侖計(jì)數(shù)器因電流測(cè)量偏移誤差積累而導(dǎo)致的漂移問(wèn)題。
5. 電流、溫度和老化補(bǔ)償：自動(dòng)補(bǔ)償電池的電流、溫度和老化因素，提高了電量測(cè)量的準(zhǔn)確性。
6. 無(wú)需空、滿(mǎn)或空閑狀態(tài)：在各種電池狀態(tài)下都能正常工作，無(wú)需特定的充電或放電狀態(tài)。

（二）其他特性

1. 低工作電流：僅7μA的工作電流，有助于延長(zhǎng)電池的使用壽命，適用于對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用。
2. 寬感測(cè)電阻范圍：支持1mΩ至1000mΩ的感測(cè)電阻，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。
3. 支持多種電池類(lèi)型：支持Li+及其變體，包括LiFePO?電池。
4. 高精度溫度測(cè)量：內(nèi)部溫度測(cè)量精度為±1°C，也可使用外部熱敏電阻進(jìn)行溫度測(cè)量。
5. 動(dòng)態(tài)功率估計(jì)：能夠在放電過(guò)程中估計(jì)功率能力，提供時(shí)間到空和時(shí)間到滿(mǎn)的估計(jì)，支持恒定功率或恒定電流模式。
6. 精確測(cè)量系統(tǒng)：無(wú)需校準(zhǔn)，提供高精度的測(cè)量結(jié)果。
7. 警報(bào)指示功能：可對(duì)電壓、SOC、溫度、電流和1% SOC變化進(jìn)行警報(bào)指示，方便用戶(hù)及時(shí)了解電池狀態(tài)。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

MAX17055適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，包括但不限于：

1. 可穿戴設(shè)備：如智能手表、健身追蹤器等，低功耗特性能夠滿(mǎn)足其長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航的需求。
2. 智能手機(jī)和平板電腦：準(zhǔn)確的電量測(cè)量有助于提供更好的用戶(hù)體驗(yàn)。
3. 藍(lán)牙耳機(jī)：確保耳機(jī)在使用過(guò)程中能夠準(zhǔn)確顯示電量。
4. 健康和健身監(jiān)測(cè)設(shè)備：為設(shè)備提供可靠的電量信息。
5. 數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)：保證拍攝過(guò)程中電量的準(zhǔn)確顯示。
6. 醫(yī)療設(shè)備：對(duì)電量測(cè)量的準(zhǔn)確性要求較高，MAX17055能夠滿(mǎn)足其需求。
7. 手持計(jì)算機(jī)和終端：為設(shè)備的正常運(yùn)行提供電量保障。
8. 無(wú)線(xiàn)揚(yáng)聲器：提供準(zhǔn)確的電量指示，方便用戶(hù)合理使用設(shè)備。
9. 家庭和建筑自動(dòng)化設(shè)備及傳感器：確保設(shè)備在不同環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。
10. 便攜式游戲玩家和玩具：為娛樂(lè)設(shè)備提供可靠的電量信息。

四、電氣特性

（一）電源參數(shù)

• 電源電壓：2.3V至4.9V，確保在不同電池電壓下的正常工作。
• 啟動(dòng)電壓：最大為3.0V。
• 關(guān)機(jī)電源電流：在TA ≤ +50°C時(shí)，典型值為0.5μA，最大值為0.9μA。
• 休眠電源電流：在TA ≤ +50°C時(shí)，平均電流典型值為7μA，最大值為12μA。
• 活動(dòng)電源電流：在TA ≤ +50°C時(shí)，不包括熱敏電阻測(cè)量電流，典型值為18μA，最大值為30μA。
• 調(diào)節(jié)電壓：為1.8V。

（二）模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換參數(shù)

• 電池測(cè)量誤差：在TA = +25°C時(shí)，誤差范圍為-7.5mV至+7.5mV；在TA = -40°C至+85°C時(shí)，誤差范圍為-20mV至+20mV。
• 電池測(cè)量分辨率：為78.125μV。
• 電池測(cè)量范圍：為2.3V至4.9V。

（三）電流測(cè)量參數(shù)

• 電流測(cè)量偏移誤差：在VCSN = 0V時(shí)，長(zhǎng)期平均值為±1.5μV。
• 電流測(cè)量增益誤差：為讀數(shù)的-1%至+1%。
• 電流測(cè)量分辨率：為1.5625μV。
• 電流測(cè)量范圍：為±51.2mV。

（四）溫度測(cè)量參數(shù)

• 內(nèi)部溫度測(cè)量誤差：為±1°C。
• 內(nèi)部溫度測(cè)量分辨率：為0.00391°C。

（五）輸入/輸出參數(shù)

• 輸出驅(qū)動(dòng)高電平：在IOH = -1mA、VBATT = 2.3V時(shí)，VOH = VBATT - 0.1V。
• 輸出驅(qū)動(dòng)低電平：在IOL = 4mA、VBATT = 2.3V時(shí)，VOL ≤ 0.4V。
• 輸入邏輯高電平：為1.5V。
• 輸入邏輯低電平：為0.5V。

（六）其他參數(shù)

• 電池分離檢測(cè)閾值：為92.5%至97.5%。
• 電池分離檢測(cè)閾值滯后：為1%。
• 電池分離比較器延遲：最大為100μs。
• 泄漏電流：在VALRT < 15V時(shí)，為-1μA至+1μA。
• 輸入下拉電流：在VSDA、VSCL = 0.4V時(shí)，為0.05μA至0.4μA。
• 2線(xiàn)接口參數(shù)：SCL時(shí)鐘頻率最大為400kHz，總線(xiàn)空閑時(shí)間、保持時(shí)間、低周期、高周期、設(shè)置時(shí)間等都有相應(yīng)的規(guī)定。

五、引腳配置與功能

（一）引腳配置

（二）功能說(shuō)明

通過(guò)這些引腳，MAX17055能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池電壓、電流和溫度的測(cè)量，并與主機(jī)進(jìn)行通信，同時(shí)提供警報(bào)功能。

六、典型應(yīng)用電路

（一）應(yīng)用場(chǎng)景

MAX17055可應(yīng)用于具有可拆卸電池組的系統(tǒng)和具有固定電池的系統(tǒng)。在可拆卸電池系統(tǒng)中，使用外部熱敏電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫度測(cè)量；在固定電池系統(tǒng)中，使用IC內(nèi)部的溫度測(cè)量功能，節(jié)省了兩個(gè)組件的成本和尺寸。

（二）電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• 電流測(cè)量：通過(guò)連接在CSP和CSN引腳之間的外部感測(cè)電阻測(cè)量系統(tǒng)電流。
• 電壓測(cè)量：在BATT和CSP引腳之間進(jìn)行系統(tǒng)電壓測(cè)量。
• 電容連接：將BATT和REG旁路電容的環(huán)路面積盡可能減小，直接連接到CSP。
• 外露焊盤(pán)連接：當(dāng)使用TDFN封裝時(shí)，將外露焊盤(pán)（EP）直接連接到CSP。

七、ModelGauge m5 EZ算法詳解

（一）傳統(tǒng)電量計(jì)的局限性

傳統(tǒng)的基于庫(kù)侖計(jì)數(shù)器的電量計(jì)具有良好的線(xiàn)性度和短期性能，但由于電流感測(cè)測(cè)量中的偏移誤差積累，會(huì)導(dǎo)致漂移問(wèn)題?；陔妷簻y(cè)量的SOC估計(jì)雖然不會(huì)積累偏移誤差，但由于電池建模不完善，存在精度限制。

（二）ModelGauge m5算法的優(yōu)勢(shì)

ModelGauge m5算法將高精度的庫(kù)侖計(jì)數(shù)器與先進(jìn)的電壓電量計(jì)（VFG）相結(jié)合。VFG能夠在電流流動(dòng)時(shí)估計(jì)開(kāi)路電壓（OCV），并模擬鋰離子電池的非線(xiàn)性?xún)?nèi)部動(dòng)態(tài)，以確定SOC，且不會(huì)積累偏移誤差。通過(guò)混合算法，將VFG容量與庫(kù)侖計(jì)數(shù)器的結(jié)果進(jìn)行加權(quán)組合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，消除了各自的弱點(diǎn)。

（三）算法的自適應(yīng)能力

該算法能夠根據(jù)電池的溫度、電流、老化和應(yīng)用參數(shù)，不斷調(diào)整電池狀態(tài)信息，以確定系統(tǒng)可用的剩余容量。當(dāng)電池接近電量耗盡時(shí)，算法會(huì)啟動(dòng)特殊的誤差校正機(jī)制，消除任何誤差。同時(shí)，算法還能通過(guò)獨(dú)立的學(xué)習(xí)例程，不斷適應(yīng)電池和應(yīng)用的變化。

八、寄存器配置與應(yīng)用

（一）配置寄存器

ModelGauge m5 EZ算法需要配置一些寄存器，包括DesignCap寄存器（存儲(chǔ)電池的標(biāo)稱(chēng)容量）、VEmpty寄存器（設(shè)置與空檢測(cè)相關(guān)的閾值）、ModelCfg寄存器（控制EZ算法的基本選項(xiàng)）、IChgTerm寄存器（用于檢測(cè)充電終止）、Config寄存器和Config2寄存器（控制各種功能的啟用和禁用）等。

（二）輸出寄存器

算法的輸出寄存器包括RepCap寄存器（報(bào)告剩余容量）、RepSOC寄存器（報(bào)告充電狀態(tài)百分比）、FullCapRep寄存器（報(bào)告與RepCap對(duì)應(yīng)的滿(mǎn)容量）、TTE寄存器（估計(jì)到空的時(shí)間）、TTF寄存器（估計(jì)到滿(mǎn)的時(shí)間）、Cycles寄存器（記錄電池的充放電循環(huán)次數(shù)）和Status寄存器（維護(hù)與警報(bào)閾值和電池插入/移除相關(guān)的標(biāo)志）等。

（三）模擬測(cè)量寄存器

MAX17055還提供了用于電壓、電流和溫度測(cè)量的寄存器，如VCell寄存器（報(bào)告電池電壓）、AvgVCell寄存器（報(bào)告平均電池電壓）、Current寄存器（報(bào)告電流）、AvgCurrent寄存器（報(bào)告平均電流）、Temp寄存器（報(bào)告溫度）等。

（四）警報(bào)功能寄存器

通過(guò)設(shè)置警報(bào)閾值寄存器，如VAlrtTh寄存器（設(shè)置電壓警報(bào)閾值）、TAlrtTh寄存器（設(shè)置溫度警報(bào)閾值）、SAlrtTh寄存器（設(shè)置SOC警報(bào)閾值）和IAlrtTh寄存器（設(shè)置電流警報(bào)閾值），可以在電池狀態(tài)超出閾值時(shí)觸發(fā)警報(bào)。

九、布局指南

為了確保電壓、溫度和電流測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要遵循以下布局指南：

1. 感測(cè)電阻連接：CSN和CSP跡線(xiàn)應(yīng)與感測(cè)電阻進(jìn)行開(kāi)爾文連接，避免共享高電流路徑，以提高電流測(cè)量的準(zhǔn)確性。
2. 外露焊盤(pán)連接：對(duì)于TDFN封裝設(shè)計(jì)，將EP直接連接到CSP引腳。
3. REG電容布局：最小化REG電容跡線(xiàn)的環(huán)路面積，將REG盡可能靠近IC連接到CSP引腳，并僅運(yùn)行一條CSP跡線(xiàn)到感測(cè)電阻，以過(guò)濾內(nèi)部穩(wěn)壓電源的噪聲。
4. 接地連接：所有其他接地連接應(yīng)與CSP或CSN跡線(xiàn)分開(kāi)，開(kāi)爾文線(xiàn)不應(yīng)與其他電路共享，開(kāi)爾文跡線(xiàn)上不建議使用過(guò)孔。

十、訂購(gòu)信息

總之，MAX17055憑借其低功耗、高精度和強(qiáng)大的算法，為電池電量測(cè)量提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師可以根據(jù)具體需求選擇合適的封裝和配置，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能。你在使用MAX17055的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。