MAX17048/MAX17049：低功耗單/雙節(jié)鋰電池電量計(jì)的卓越之選

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，電池電量的精確監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。無論是智能手機(jī)、智能手表，還是醫(yī)療設(shè)備等，都需要可靠的電量計(jì)來提供準(zhǔn)確的電池剩余電量信息。MAX17048/MAX17049作為Maxim Integrated推出的兩款低功耗鋰電池電量計(jì)，在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出了出色的性能。

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一、產(chǎn)品概述

1.1 基本信息

MAX17048/MAX17049是用于手持和便攜式設(shè)備中鋰離子（Li+）電池的微型微功耗電流電量計(jì)。其中，MAX17048適用于單節(jié)鋰電池，而MAX17049則可用于兩節(jié)串聯(lián)的鋰電池。這兩款芯片采用了先進(jìn)的ModelGauge?算法，能夠在廣泛變化的充電和放電條件下連續(xù)跟蹤電池的相對(duì)充電狀態(tài)（SOC）。

1.2 主要特點(diǎn)

• 高精度電壓測(cè)量：能夠?qū)崿F(xiàn)±7.5mV/節(jié)的精確電壓測(cè)量，為準(zhǔn)確計(jì)算SOC提供了基礎(chǔ)。
• ModelGauge算法優(yōu)勢(shì)：該算法不僅能提供準(zhǔn)確的SOC信息，還能補(bǔ)償溫度和負(fù)載變化的影響，且不會(huì)像傳統(tǒng)庫侖計(jì)數(shù)器那樣累積誤差，同時(shí)無需學(xué)習(xí)過程和電流檢測(cè)電阻。
• 超低靜態(tài)電流：在休眠模式下僅需3μA電流，活動(dòng)模式下為23μA，并且能夠自動(dòng)進(jìn)入和退出休眠模式，有效降低功耗。
• 多種功能特性：可報(bào)告充電和放電速率，具備電池插入去抖功能，能通過16個(gè)樣本的最佳值來估計(jì)初始SOC；還支持可編程復(fù)位以實(shí)現(xiàn)電池更換，擁有可配置的警報(bào)指示器，可對(duì)低SOC、SOC 1%變化、電池欠壓/過壓以及VRESET警報(bào)等情況進(jìn)行警報(bào)。
• 接口與封裝：采用I2C接口進(jìn)行通信，方便與其他設(shè)備連接；提供0.9mm x 1.7mm的8凸點(diǎn)晶圓級(jí)封裝（WLP）或2mm x 2mm的8引腳TDFN封裝，適合不同的應(yīng)用需求。

二、工作原理

2.1 ModelGauge算法原理

ModelGauge算法通過模擬鋰離子電池的內(nèi)部非線性動(dòng)態(tài)來確定其SOC。該算法考慮了電池的阻抗以及化學(xué)反應(yīng)的緩慢速率，能夠在不同的工作條件下準(zhǔn)確計(jì)算電池的剩余電量。在開機(jī)復(fù)位（POR）時(shí)，芯片預(yù)先加載了一個(gè)ROM模型，該模型對(duì)于某些電池能夠提供較好的性能。如果需要更精確的模型，可以聯(lián)系Maxim獲取定制模型。

2.2 與傳統(tǒng)庫侖計(jì)數(shù)器的對(duì)比

傳統(tǒng)的庫侖計(jì)數(shù)器基于電流積分來計(jì)算SOC，由于電流檢測(cè)ADC測(cè)量中的偏移誤差會(huì)隨著時(shí)間累積，導(dǎo)致SOC出現(xiàn)漂移。即使瞬時(shí)誤差可能很小，但長期積累下來誤差會(huì)逐漸增大，通常每天會(huì)漂移0.5% - 2%，需要定期進(jìn)行校正。而ModelGauge算法僅使用電壓來計(jì)算SOC，電壓在一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，因此無需進(jìn)行校正事件，能夠避免誤差的累積，保持較高的準(zhǔn)確性。

三、關(guān)鍵性能分析

3.1 溫度補(bǔ)償

為了確保最佳性能，主機(jī)微控制器需要定期測(cè)量電池溫度，并相應(yīng)地補(bǔ)償ModelGauge參數(shù)RCOMP，至少每分鐘進(jìn)行一次。不同的定制模型定義了不同的常數(shù)，如RCOMP0（默認(rèn)值為0x97）、TempCoUp（默認(rèn)值為 -0.5）和TempCoDown（默認(rèn)值為 -5.0）。根據(jù)電池溫度的不同，可以使用以下公式計(jì)算新的CONFIG.RCOMP值： 當(dāng) (T > 20) 時(shí)，(RCOMP = RCOMP0 + (T - 20) times TempCoUp)； 當(dāng) (T leq 20) 時(shí)，(RCOMP = RCOMP0 + (T - 20) times TempCoDown)。

3.2 空電壓選擇的影響

大多數(shù)應(yīng)用都有一個(gè)最低工作電壓，低于該電壓系統(tǒng)將立即關(guān)機(jī)，這個(gè)電壓稱為空電壓。在為電池創(chuàng)建定制模型時(shí)，需要謹(jǐn)慎選擇空電壓。隨著空電壓的升高，系統(tǒng)無法使用的電池容量會(huì)以加速的速率增加，因此需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行合理選擇。

3.3 電池插入與初始SOC估算

當(dāng)電池首次插入系統(tǒng)時(shí)，電量計(jì)芯片沒有關(guān)于電池SOC的先前信息。假設(shè)電池處于松弛狀態(tài)，芯片會(huì)將第一次測(cè)量的VCELL轉(zhuǎn)換為最佳的初始SOC估計(jì)值。由于電池未處于松弛狀態(tài)而導(dǎo)致的初始誤差會(huì)隨著時(shí)間逐漸減小，無論后續(xù)的負(fù)載情況如何。與庫侖計(jì)數(shù)器不同，ModelGauge的SOC估計(jì)值會(huì)收斂，能夠自動(dòng)校正誤差。在電池插入時(shí)，芯片會(huì)對(duì)初始電壓測(cè)量進(jìn)行去抖處理，通過取16個(gè)VCELL樣本（每個(gè)樣本1ms，全12位分辨率）的最大值來估計(jì)開路電壓（OCV），OCV在電池插入后17ms準(zhǔn)備好，SOC在其后175ms準(zhǔn)備好。

3.4 電池更換檢測(cè)與快速啟動(dòng)

如果VCELL低于VRST，當(dāng)VCELL再次高于VRST時(shí)，芯片會(huì)進(jìn)行快速啟動(dòng)，以處理電池更換的情況，確保新電池的SOC不受前一個(gè)電池的影響。但快速啟動(dòng)需要謹(jǐn)慎使用，因?yàn)槌荲CELL完全松弛，否則即使采樣到的最佳電壓也可能大于或小于OCV。大多數(shù)系統(tǒng)不需要使用快速啟動(dòng)，因?yàn)樾酒軌蜃詣?dòng)處理大多數(shù)啟動(dòng)問題，如電池插入時(shí)的間歇性連接問題。如果電池電壓在17ms內(nèi)穩(wěn)定，則無需使用快速啟動(dòng)。

四、低功耗模式

4.1 休眠模式

芯片具有低功耗休眠模式，當(dāng)電池的充電/放電速率較低時(shí)，仍能準(zhǔn)確測(cè)量電量。默認(rèn)情況下，設(shè)備會(huì)根據(jù)充電/放電速率自動(dòng)進(jìn)入和退出休眠模式，在不影響電量計(jì)精度的前提下，將靜態(tài)電流降至5μA以下。在休眠模式下，設(shè)備會(huì)將ADC轉(zhuǎn)換周期和SOC更新周期延長至每45s一次。對(duì)于最大負(fù)載小于C/4速率的應(yīng)用，可以強(qiáng)制芯片進(jìn)入休眠模式以降低功耗；對(duì)于負(fù)載較高的應(yīng)用，建議使用默認(rèn)的自動(dòng)控制休眠模式。

4.2 睡眠模式

在睡眠模式下，芯片會(huì)停止所有操作，將電流消耗降至1μA以下。退出睡眠模式后，芯片將繼續(xù)正常運(yùn)行。但在睡眠模式下，芯片無法檢測(cè)電池的自放電情況，如果電池在芯片睡眠時(shí)狀態(tài)發(fā)生變化，可能會(huì)導(dǎo)致SOC誤差。因此，在充電或放電前需要喚醒芯片。進(jìn)入睡眠模式可以通過以下兩種方式：一是將SDA和SCL保持低電平tSLEEP時(shí)間，SDA或SCL的上升沿可喚醒芯片；二是將CONFIG.SLEEP設(shè)置為1，將其設(shè)置為0可喚醒芯片。對(duì)于能夠容忍4μA電流的應(yīng)用，建議使用休眠模式而非睡眠模式。

五、寄存器配置

5.1 寄存器讀寫規(guī)則

所有寄存器必須以16位字的形式進(jìn)行讀寫，8位寫入操作無效。對(duì)于標(biāo)記為X（無關(guān)位）或只讀的位，需要與寄存器的其他部分一起寫入，但芯片會(huì)忽略寫入的值。從無關(guān)位讀取的值是未定義的。寄存器的值可以通過將16位字乘以寄存器的LSb值來計(jì)算。

5.2 主要寄存器功能

• VCELL寄存器（0x02）：用于測(cè)量電池電壓，MAX17048測(cè)量VDD和GND引腳之間的電壓，MAX17049測(cè)量CELL和GND引腳之間的電壓。VCELL是四次ADC轉(zhuǎn)換的平均值，在活動(dòng)模式下每250ms更新一次，在休眠模式下每45s更新一次。
• SOC寄存器（0x04）：芯片使用ModelGauge算法計(jì)算SOC，該寄存器能夠自動(dòng)適應(yīng)電池尺寸的變化。寄存器的上字節(jié)最低有效位表示1%的SOC，下字節(jié)提供更高的分辨率。首次更新在芯片上電復(fù)位后約1s可用，后續(xù)更新根據(jù)應(yīng)用條件以可變間隔進(jìn)行。
• MODE寄存器（0x06）：用于啟動(dòng)快速啟動(dòng)、報(bào)告休眠模式狀態(tài)以及啟用睡眠模式。其中，EnSleep位用于啟用睡眠模式，HibStat位為只讀位，用于指示芯片是否處于休眠模式，Quick-Start位可根據(jù)即時(shí)電池電壓生成OCV和SOC的初始估計(jì)值，但使用時(shí)需謹(jǐn)慎。
• HIBRT寄存器（0x0A）：用于控制進(jìn)入和退出休眠模式的閾值。ALSC位用于啟用SOC變化警報(bào)，當(dāng)SOC變化至少1%時(shí)觸發(fā)警報(bào)；ActThr位為活動(dòng)閾值，如果任何ADC采樣的|OCVCELL|大于該閾值，芯片將退出休眠模式；ALRT位為警報(bào)狀態(tài)位，當(dāng)警報(bào)發(fā)生時(shí)由芯片設(shè)置，設(shè)置后ALRT引腳將拉低；HibThr位為休眠閾值，如果CRATE的絕對(duì)值小于該閾值且持續(xù)時(shí)間超過6分鐘，芯片將進(jìn)入休眠模式。
• CONFIG寄存器（0x0C）：用于優(yōu)化性能的補(bǔ)償、睡眠模式設(shè)置、警報(bào)指示器配置等。ATHD位設(shè)置空警報(bào)閾值，可在1% - 32%之間編程；RCOMP位是一個(gè)8位值，可根據(jù)不同的鋰化學(xué)性質(zhì)或工作溫度進(jìn)行調(diào)整；SLEEP位用于強(qiáng)制芯片進(jìn)入或退出睡眠模式。

六、I2C總線系統(tǒng)與通信協(xié)議

6.1 I2C總線工作原理

MAX17048/MAX17049支持作為從設(shè)備在單主/多主、單從/多從系統(tǒng)中運(yùn)行。從設(shè)備可以通過唯一設(shè)置7位從地址來共享總線。I2C接口由串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線（SCL）組成，提供了芯片從設(shè)備與主設(shè)備之間的雙向通信，最高通信速度可達(dá)400kHz。芯片的SDA引腳為雙向操作，接收數(shù)據(jù)時(shí)作為輸入，返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)作為開漏輸出，需要主機(jī)系統(tǒng)提供上拉電阻。芯片始終作為從設(shè)備，在主設(shè)備的控制下接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，主設(shè)備負(fù)責(zé)發(fā)起總線上的所有事務(wù)，并生成SCL信號(hào)以及START和STOP位。

6.2 數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則

• 位傳輸：在每個(gè)SCL時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸一位數(shù)據(jù)，SCL從低到高再到低的轉(zhuǎn)換定義一個(gè)時(shí)鐘周期。在SCL時(shí)鐘脈沖的高電平期間，SDA邏輯電平必須保持穩(wěn)定，SCL為高時(shí)SDA的任何變化都將被解釋為START或STOP控制信號(hào)。
• 總線空閑狀態(tài)：當(dāng)沒有主設(shè)備控制總線時(shí)，總線處于空閑狀態(tài)，此時(shí)SDA和SCL都保持高電平。使用STOP條件可以使總線返回空閑狀態(tài)。
• START和STOP條件：主設(shè)備通過在SCL為高時(shí)將SDA從高到低轉(zhuǎn)換來發(fā)起START條件（S），開始一個(gè)事務(wù)；通過在SCL為高時(shí)將SDA從低到高轉(zhuǎn)換來發(fā)起STOP條件（P），結(jié)束一個(gè)事務(wù)。重復(fù)START條件（Sr）可以在不使總線返回空閑狀態(tài)的情況下結(jié)束一個(gè)事務(wù)并開始另一個(gè)事務(wù)，在多主系統(tǒng)中，重復(fù)START允許主設(shè)備保留對(duì)總線的控制權(quán)。
• 確認(rèn)位：每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的傳輸都伴隨著一個(gè)確認(rèn)位（A）或無確認(rèn)位（N）。主設(shè)備和從設(shè)備都會(huì)生成確認(rèn)位，接收設(shè)備在確認(rèn)相關(guān)時(shí)鐘脈沖（第九個(gè)脈沖）的上升沿之前將SDA拉低并保持到SCL返回低電平表示確認(rèn)，釋放SDA并保持高電平表示無確認(rèn)。通過監(jiān)測(cè)確認(rèn)位可以檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸是否成功，如果傳輸失敗，主設(shè)備應(yīng)重新嘗試通信。
• 數(shù)據(jù)順序：一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)由8位組成，最高有效位（MSb）在前，每個(gè)字節(jié)的最低有效位（LSb）后面跟著確認(rèn)位。多字節(jié)寄存器按MSB優(yōu)先順序排列，多字節(jié)寄存器的MSB存儲(chǔ)在偶數(shù)據(jù)內(nèi)存地址中。

6.3 通信協(xié)議

• 從地址：主設(shè)備通過發(fā)送START條件、從地址（SAddr）和讀寫（R/W）位來發(fā)起與從設(shè)備的通信。芯片的7位從地址固定為0x6C（寫）/0x6D（讀），當(dāng)芯片接收到匹配的從地址時(shí)，會(huì)在R/W位后的時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)送確認(rèn)位。
• 讀寫位：R/W位決定了后續(xù)數(shù)據(jù)字節(jié)的傳輸方向，R/W = 0表示寫事務(wù)，主設(shè)備將數(shù)據(jù)寫入從設(shè)備；R/W = 1表示讀事務(wù)，主設(shè)備從從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。
• 總線時(shí)序：芯片與最高400kHz的任何總線時(shí)序兼容，無需特殊配置。
• 命令協(xié)議：I2C命令協(xié)議包括多種事務(wù)格式，如寫事務(wù)和讀事務(wù)。寫事務(wù)將2個(gè)或更多數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸?shù)叫酒?，從MAddr字節(jié)指定的內(nèi)存地址開始；讀事務(wù)由寫部分和讀部分組成，寫部分指定讀操作的起始點(diǎn)，讀部分從重復(fù)START開始，將2個(gè)或更多字節(jié)從芯片讀出。在每個(gè)命令格式中，每個(gè)字節(jié)都需要從設(shè)備或主機(jī)返回確認(rèn)位后才能繼續(xù)傳輸下一個(gè)字節(jié)。

七、應(yīng)用案例

7.1 單節(jié)電池應(yīng)用

在單節(jié)電池應(yīng)用中，如智能手機(jī)、智能手表等，可以使用MAX17048。以一個(gè)1S電池組應(yīng)用為例，將ALRT引腳連接到微控制器的中斷輸入，當(dāng)電池電量低時(shí)，MAX17048可以向微控制器發(fā)送信號(hào)。QSTRT引腳未使用時(shí)應(yīng)連接到GND。

7.2 雙節(jié)電池應(yīng)用

對(duì)于雙節(jié)電池應(yīng)用，如平板電腦、無線揚(yáng)聲器等，可以選擇MAX17049。在一個(gè)2S電池組應(yīng)用中，MAX17049安裝在系統(tǒng)側(cè)，由系統(tǒng)生成的3.3V電源供電，CELL引腳直接連接到電池組的正極。

MAX17048/MAX17049以其高精度的電量測(cè)量、低功耗特性以及豐富的功能，為鋰電池電量監(jiān)測(cè)提供了一種可靠的解決方案。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的芯片，并合理配置寄存器和通信協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過類似電量計(jì)芯片的使用問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。