MAX17047/MAX17050：單節(jié)電池電量計的卓越之選

在電子設(shè)備的設(shè)計中，準確測量電池電量至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下 Maxim 公司的 MAX17047/MAX17050 單節(jié)電池電量計，看看它在電池管理領(lǐng)域能為我們帶來哪些出色的表現(xiàn)。

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一、產(chǎn)品概述

MAX17047/MAX17050 集成了 Maxim ModelGauge? m3 算法，它將庫侖計數(shù)器出色的短期精度和線性度，與基于電壓的電量計的長期穩(wěn)定性相結(jié)合，再加上溫度補償功能，提供了業(yè)界領(lǐng)先的電量計精度。該算法消除了庫侖計數(shù)器中的偏移累積誤差，并且與純電壓電量計相比，具有更好的短期精度。它還避免了庫侖計數(shù)器算法中常見的突然校正問題，因為微小的連續(xù)校正會在一段時間內(nèi)分散進行。

這兩款器件能夠自動補償電池的老化、溫度和放電率，在廣泛的工作條件下提供準確的充電狀態(tài)（SOC），以 mAh 或百分比表示，同時還能提供剩余使用時間。它們提供了兩種報告電池老化程度的方法：容量減少和循環(huán)里程計。此外，器件還能精確測量電流、電壓和溫度，電池組的溫度通過輔助輸入上的比率測量來支持外部熱敏電阻進行測量。通過 2 線（I2C）接口可以訪問數(shù)據(jù)和控制寄存器。

MAX17047 采用無鉛 3mm x 3mm、10 引腳 TDFN 封裝，而 MAX17050 則采用 0.4mm 間距的 9 凸點 WLP 封裝。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

MAX17047/MAX17050 適用于多種設(shè)備，包括智能手機、平板電腦、健康和健身監(jiān)視器、數(shù)碼相機、攝像機和運動相機、醫(yī)療設(shè)備、手持計算機和終端以及無線揚聲器等。這些設(shè)備對電池電量的準確監(jiān)測有較高要求，而 MAX17047/MAX17050 正好能滿足這一需求。

三、核心特性

3.1 精確的電池容量和剩余使用時間估計

• 補償特性：能夠?qū)囟?、電池老化和放電率進行補償，確保在各種條件下都能準確估算電池容量和剩余使用時間。
• 無需特殊狀態(tài)：不需要電池處于空、滿或空閑狀態(tài)來維持精度，這使得在實際使用中更加靈活方便。

3.2 精密測量系統(tǒng)

• 無需校準：降低了設(shè)計和使用成本，提高了開發(fā)效率。

3.3 ModelGauge m3 算法

• 優(yōu)勢結(jié)合：結(jié)合了高精度庫侖計數(shù)器和電壓電量計（VFG）的優(yōu)勢，消除了兩者的弱點。在電池使用初期，OCV 狀態(tài)估計的權(quán)重較大；隨著電池循環(huán)次數(shù)增加，庫侖計數(shù)器的結(jié)果逐漸占主導(dǎo)地位。
• 適應(yīng)性強：能夠自適應(yīng)電池特性，通過獨立的學習程序不斷調(diào)整以適應(yīng)電池和應(yīng)用的變化。

3.4 外部溫度測量網(wǎng)絡(luò)

• 降低功耗：采用主動切換的熱敏電阻分壓器，減少了電流消耗，有助于延長設(shè)備的電池續(xù)航時間。

3.5 低靜態(tài)電流

• 工作模式：在活動模式下電流為 25μA，關(guān)機模式下電流小于 0.5μA，進一步降低了功耗。

3.6 多種報警指示

• 全面監(jiān)測：提供 SOC、電壓、溫度和電池插拔事件的報警指示，讓用戶及時了解電池的狀態(tài)。

3.7 AtRate 剩余容量估計

• 靈活估算：允許主機軟件根據(jù)理論負載電流估算剩余容量、SOC 和剩余使用時間。

3.8 2 線（I2C）接口

• 通信便捷：方便與其他設(shè)備進行通信和數(shù)據(jù)交互。

3.9 小型封裝

• 節(jié)省空間：提供 3mm x 3mm、10 引腳 TDFN 封裝或 0.4mm 間距的 9 凸點 WLP 封裝，適合對空間要求較高的設(shè)備。

四、電氣特性

4.1 絕對最大額定值

器件對各引腳的電壓、電流和功率等都有明確的絕對最大額定值限制，例如 VBATT、SDA、SCL 等引腳的電壓范圍，以及連續(xù)灌電流和連續(xù)功耗等。在設(shè)計電路時，必須嚴格遵守這些限制，以確保器件的安全可靠運行。

4.2 電氣參數(shù)

包括電源電壓、電源電流、REG 調(diào)節(jié)電壓、測量誤差、分辨率等多項參數(shù)，這些參數(shù)規(guī)定了器件在不同條件下的性能表現(xiàn)。例如，在不同的溫度和電壓范圍內(nèi)，測量誤差和分辨率會有所不同。

4.3 2 線接口參數(shù)

對 I2C 接口的時鐘頻率、總線空閑時間、保持時間、低電平和高電平周期等參數(shù)都有明確的規(guī)定，確保了與其他設(shè)備進行通信時的穩(wěn)定性和可靠性。

五、典型工作特性

文檔中給出了多個典型工作特性的圖表，如關(guān)機電流與電源電壓的關(guān)系、電壓 ADC 誤差與溫度和電源電壓的關(guān)系、活動電流與電源電壓的關(guān)系等。這些圖表直觀地展示了器件在不同條件下的性能表現(xiàn)，有助于工程師在設(shè)計時進行參考和優(yōu)化。

六、引腳和封裝

6.1 引腳配置

MAX17047 和 MAX17050 的引腳配置有所不同，每個引腳都有其特定的功能。例如，VTT 引腳是熱敏電阻偏置開關(guān)的電源輸入（僅 MAX17047 有），AIN 引腳是輔助電壓輸入，用于外部熱測量網(wǎng)絡(luò)和電池插拔檢測等。

6.2 封裝形式

MAX17047 采用 TDFN 封裝，MAX17050 采用 WLP 封裝，不同的封裝形式適用于不同的應(yīng)用場景。在選擇封裝時，需要考慮設(shè)備的空間要求、散熱需求等因素。

七、電路設(shè)計

7.1 典型工作電路

器件設(shè)計為安裝在其所監(jiān)控的電池組外部，通過 VBATT 和 CSP 連接直接測量電池組的電壓，通過 CSN 和 CSP 引腳之間的外部感測電阻測量電流，通過 AIN 引腳監(jiān)控外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)來測量電池組的溫度。與主機的通信通過標準 I2C 接口進行。

7.2 多節(jié)電池電路

MAX17047 可用于多節(jié)電池組應(yīng)用，通過電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)將電池組電壓分壓，使 IC 監(jiān)控單節(jié)電池的等效電壓。而對于 MAX17050 的多節(jié)電池應(yīng)用電路，需要聯(lián)系廠家獲取。

7.3 熱敏電阻共享電路

MAX17047 可以與系統(tǒng)充電器共享電池熱敏電阻電路，在這種配置下，每個設(shè)備可以單獨或同時測量溫度而不會相互干擾。但 MAX17050 不能在這種配置下工作。

7.4 布局建議

在 PCB 布局時，為了保證測量精度，需要遵循一些建議，如將 RSNS 電阻盡可能靠近 PACK - 安裝，VBATT 走線應(yīng)與 PACK + 進行 Kelvin 連接，CSN 和 CSP 走線應(yīng)與 RSNS 進行 Kelvin 連接等。

八、ModelGauge m3 寄存器

8.1 寄存器分類

ModelGauge m3 算法涉及多個寄存器，包括模擬輸入寄存器、應(yīng)用特定寄存器、電池特性信息寄存器、算法配置寄存器以及保存和恢復(fù)寄存器等。這些寄存器存儲了電池、應(yīng)用和實時測量的信息，用于計算準確的結(jié)果。

8.2 重要寄存器介紹

• SOCMIX 寄存器：保存計算出的電池當前充電狀態(tài)，以百分比形式存儲，分辨率為 0.0039% per LSb。
• RemCapMIX 寄存器：保存計算出的電池剩余容量，以 μVh 為單位，需要除以應(yīng)用感測電阻值來確定 mAh 單位的剩余容量。
• SOCREP 寄存器：是 SOCAV 寄存器的濾波版本，可防止由于應(yīng)用變化（如負載電流突變）導(dǎo)致的報告值大幅跳動。
• 其他寄存器：還包括 TTE 寄存器、Age 寄存器、VFOCV 寄存器等，每個寄存器都有其特定的功能和用途。

九、充電結(jié)束檢測

器件通過監(jiān)測 Current 和 AverageCurrent 寄存器，當應(yīng)用電流落入 ICHGTerm 寄存器值設(shè)定的范圍內(nèi)時，檢測到充電周期結(jié)束。這樣可以有效拒絕虛假的充電結(jié)束事件，如應(yīng)用負載尖峰或早期充電源移除。當檢測到正確的充電結(jié)束事件時，器件會根據(jù) RemCapREP 輸出學習新的 FullCAP 寄存器值，以確保計算出的充電狀態(tài)不會超過 100%。

十、電池插拔檢測

10.1 檢測原理

通過監(jiān)控 AIN 引腳電壓與 THRM 引腳電壓的比較來檢測電池的插拔。當電池存在時，外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置 AIN 引腳的電壓；當電池移除時，剩余的外部電阻將 AIN 引腳拉至 THRM 引腳電壓水平。

10.2 插入和移除操作

• 插入操作：當檢測到電池插入時，電量計會重置，所有電量計輸出會更新以反映新插入電池的 SOC。這個過程所需的時間取決于 FTHRM 位的設(shè)置。同時，主機可以通過清除 MiscCFG 寄存器中的 enBi1 位來禁用此功能。
• 移除操作：電池移除不會影響 IC 的操作，器件會繼續(xù)更新電量計輸出。主機可以通過監(jiān)測狀態(tài)寄存器的 Br 和 Bst 位來確定電量計輸出是否有效。此外，還可以配置器件在電池插入或移除時向主機發(fā)出警報。

十一、工作模式

11.1 活動模式

在活動模式下，器件作為高精度電池監(jiān)視器工作，持續(xù)測量溫度、電壓、輔助輸入、電流和累積電流，并將結(jié)果更新到測量寄存器中。只有在活動模式下才能進行 READ 和 WRITE 操作。

11.2 關(guān)機模式

在關(guān)機模式下，LDO 禁用，所有活動停止，但易失性 RAM 內(nèi)容保留，所有 A/D 寄存器和電量計輸出值也會保持。進入關(guān)機模式有多種方式，如通過 SHUTDOWN 命令、電池組移除、I2C 關(guān)機或 ALRT 關(guān)機等；退出關(guān)機模式則可以通過 I2C 喚醒、ALRT 喚醒或復(fù)位等方式。

十二、ALRT 功能

12.1 報警觸發(fā)條件

ALRT 引腳的開漏輸出驅(qū)動器可以根據(jù)多種條件生成中斷信號，包括電池插拔、過/欠電壓、過/欠溫度以及過/欠 SOC 等。在 CONFIG 寄存器中可以設(shè)置 ALRT 引腳的極性和警報使能等功能。

12.2 閾值寄存器

VALRT 閾值寄存器、TALRT 閾值寄存器和 SALRT 閾值寄存器分別設(shè)置了電壓、溫度和 SOC 的上下限閾值，當超過這些閾值時會觸發(fā) ALRT 引腳的中斷。

十三、狀態(tài)和配置寄存器

13.1 CONFIG 寄存器

CONFIG 寄存器控制著 ALRT 中斷功能、活動和關(guān)機模式之間的轉(zhuǎn)換，并向主機處理器提供狀態(tài)更新。其中包含了多個控制位，如 FTHRM、ETHRM、ALSH、I2CSH 等，每個位都有其特定的功能。

13.2 其他寄存器

還包括 TIMER 寄存器、SHDNTIMER 寄存器、Status 寄存器和 Version 寄存器等，這些寄存器用于保存器件的定時信息、關(guān)機超時時間、狀態(tài)標志和版本信息等。

十四、測量功能

14.1 電壓測量

包括 VCELL 寄存器和 AverageVCELL 寄存器，分別測量電池的實時電壓和一段時間內(nèi)的平均電壓。在活動模式下，器件會定期測量電壓，并將結(jié)果存儲在相應(yīng)的寄存器中。

14.2 電流測量

Current 寄存器和 AverageCurrent 寄存器用于測量電流的實時值和一段時間內(nèi)的平均值?？梢酝ㄟ^ CGAIN 寄存器和 COFF 寄存器調(diào)整電流測量的增益和偏移，以滿足不同應(yīng)用的需求。

14.3 溫度測量

AIN 寄存器測量 AIN 引腳和 CSP 引腳之間的電壓與 THRM 引腳電壓的比率，Temperature 寄存器根據(jù) AIN 寄存器的值和 TGAIN 寄存器、TOFF 寄存器的值計算出溫度。同時，還可以通過 AverageTemperature 寄存器測量一段時間內(nèi)的平均溫度。

十五、2 線總線系統(tǒng)

15.1 總線特性

支持作為僅從設(shè)備在單或多從、單或多主系統(tǒng)中運行，最多可 128 個從設(shè)備共享總線。通過 2 線接口（SDA 和 SCL）實現(xiàn)與主設(shè)備的雙向通信，通信速度可達 400kHz。

15.2 通信協(xié)議

包括位傳輸、總線空閑、START 和 STOP 條件、確認位、數(shù)據(jù)順序、從地址、讀寫位等基本概念和操作規(guī)則，以及多種命令協(xié)議，如寫數(shù)據(jù)協(xié)議和讀數(shù)據(jù)協(xié)議等。

十六、總結(jié)

MAX17047/MAX17050 單節(jié)電池電量計憑借其先進的 ModelGauge m3 算法、高精度的測量能力、豐富的功能和靈活的配置選項，為電子設(shè)備的電池管理提供了一個可靠的解決方案。在實際設(shè)計中，工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇器件的封裝形式，正確配置寄存器，優(yōu)化電路布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。同時，對于電池管理系統(tǒng)的設(shè)計，還需要綜合考慮其他因素，如電池的類型、充電策略等，以確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？或者對電池管理系統(tǒng)有什么獨特的見解，歡迎一起交流探討。