DS2784：?jiǎn)喂?jié)電池電量計(jì)的卓越之選

在電池管理領(lǐng)域，準(zhǔn)確測(cè)量電池電量、保障電池安全以及實(shí)現(xiàn)可靠的認(rèn)證功能至關(guān)重要。Maxim Integrated的DS2784單節(jié)電池電量計(jì)，集成了FuelPack、保護(hù)器和SHA - 1認(rèn)證功能，為眾多應(yīng)用提供了全面而高效的解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

DS2784工作電壓范圍為2.5V至4.6V，適用于采用單節(jié)鋰離子（Li+）或Li+聚合物電池的電池組。它能夠以mAh和百分比的形式報(bào)告可用電量，同時(shí)具備Li+保護(hù)功能和基于SHA - 1的挑戰(zhàn) - 響應(yīng)認(rèn)證，確保電池的安全運(yùn)行。通過(guò)對(duì)電壓、溫度和電流的精確測(cè)量，結(jié)合電池特性和應(yīng)用參數(shù)，DS2784可以準(zhǔn)確估算電池容量。此外，它還提供了16字節(jié)的EEPROM內(nèi)存，供主機(jī)系統(tǒng)和/或電池組制造商專用，方便進(jìn)行電池批次和日期跟蹤，或存儲(chǔ)系統(tǒng)或電池使用統(tǒng)計(jì)信息。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

DS2784的應(yīng)用場(chǎng)景十分豐富，涵蓋了健康與健身監(jiān)測(cè)器、數(shù)碼靜態(tài)相機(jī)、視頻和運(yùn)動(dòng)相機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、手持計(jì)算機(jī)和終端、手持無(wú)線電、家庭和建筑自動(dòng)化傳感器、智能電池以及電動(dòng)工具等領(lǐng)域。

突出特性

• 高精度測(cè)量系統(tǒng)：具備精確的電壓、溫度和電流測(cè)量功能，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地獲取電池狀態(tài)信息。
• 容量估算精準(zhǔn)：根據(jù)庫(kù)侖計(jì)數(shù)、放電速率、溫度和電池特性等因素估算可用容量，同時(shí)支持通過(guò)學(xué)習(xí)循環(huán)估算電池老化情況。
• 低成本設(shè)計(jì)：使用低成本的檢測(cè)電阻，并且允許對(duì)增益和溫度系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。
• 安全保護(hù)完善：擁有Li+安全電路，可實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和短路保護(hù)，同時(shí)具備可編程的過(guò)壓和過(guò)流安全閾值。
• 認(rèn)證可靠：采用SHA - 1算法和64位密鑰進(jìn)行認(rèn)證，保障電池的安全性。
• 豐富的內(nèi)存資源：配備32字節(jié)的參數(shù)EEPROM和16字節(jié)的用戶EEPROM。
• 接口便捷：采用Maxim 1 - Wire接口，具有64位唯一ID，支持16kbps或143kbps的串行通信。
• 封裝小巧：采用微小的無(wú)鉛14引腳TDFN封裝，易于嵌入使用薄型方形電池的電池組中。

二、電氣特性

絕對(duì)最大額定值

DS2784在不同引腳的電壓范圍、電流和溫度等方面都有明確的絕對(duì)最大額定值限制。例如，PLS引腳相對(duì)于VSS的電壓范圍為 - 0.3V至 + 18V，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，存儲(chǔ)溫度范圍為 - 55°C至 + 125°C等。這些額定值為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考，確保設(shè)備在安全的范圍內(nèi)運(yùn)行。

電氣參數(shù)

在電氣特性方面，DS2784表現(xiàn)出色。其供電電壓范圍為2.5V至4.6V，睡眠模式下的供電電流低至1μA（典型值），而在SHA計(jì)算期間的活動(dòng)模式下，供電電流最高可達(dá)500μA。溫度測(cè)量精度為±3°C，分辨率為0.125°C；電壓測(cè)量范圍為0至4.6V，分辨率為4.88mV；電流測(cè)量分辨率為1.56μV，滿量程為±51.2mV，增益誤差控制在±1%以內(nèi)。這些精確的參數(shù)保證了DS2784能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電池的各項(xiàng)狀態(tài)。

保護(hù)電路特性

保護(hù)電路是DS2784的重要組成部分，它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電池的電壓和電流，防止電池出現(xiàn)過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和短路等危險(xiǎn)情況。過(guò)壓檢測(cè)閾值可在4.252V至4.507V之間進(jìn)行編程，欠壓檢測(cè)閾值為2.45V（典型值），過(guò)流檢測(cè)和短路檢測(cè)也都有相應(yīng)的閾值和延遲時(shí)間。例如，過(guò)流檢測(cè)延遲時(shí)間為8至12ms，短路檢測(cè)延遲時(shí)間為80至160μs。這些保護(hù)機(jī)制確保了電池的安全可靠運(yùn)行。

EEPROM可靠性

EEPROM的可靠性對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至關(guān)重要。DS2784的EEPROM復(fù)制時(shí)間為10ms，在TA = + 50°C的條件下，復(fù)制耐久性可達(dá)50,000個(gè)周期，保證了數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定存儲(chǔ)。

1 - Wire接口特性

1 - Wire接口是DS2784與外部設(shè)備進(jìn)行通信的重要方式。它在標(biāo)準(zhǔn)模式和超速模式下都有明確的時(shí)序參數(shù)。例如，標(biāo)準(zhǔn)模式下的時(shí)間槽為60至120μs，恢復(fù)時(shí)間為1μs；超速模式下的時(shí)間槽為6至16μs，恢復(fù)時(shí)間同樣為1μs。這些時(shí)序參數(shù)確保了通信的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

三、引腳配置與功能

DS2784采用14引腳TDFN封裝，各引腳具有明確的功能。VDD為電源輸入引腳，需通過(guò)0.1μF電容旁路至VSS；VIN為電池電壓檢測(cè)輸入引腳，通過(guò)去耦網(wǎng)絡(luò)連接到電池正極；DQ為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，支持串行數(shù)據(jù)通信，還可用于檢測(cè)電池?cái)嚅_(kāi)和喚醒設(shè)備；CC和DC分別為充電和放電控制引腳，用于控制外部FET的開(kāi)關(guān)；CP為充電泵輸出引腳，同樣需要通過(guò)0.1μF電容旁路至VSS。這些引腳的合理配置使得DS2784能夠與外部電路進(jìn)行有效的連接和協(xié)作。

四、詳細(xì)功能解析

電量計(jì)功能

DS2784作為一款高精度的電量計(jì)，通過(guò)對(duì)電池電壓、溫度和電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合電池的特性模型和應(yīng)用參數(shù)，能夠準(zhǔn)確估算電池的剩余容量。它采用分段線性模型來(lái)描述電池在不同負(fù)載和溫度下的性能，通過(guò)查找表的方式獲取電池的滿電和空電狀態(tài)信息。同時(shí)，它還支持通過(guò)學(xué)習(xí)循環(huán)來(lái)更新電池的老化數(shù)據(jù)，提高容量估算的準(zhǔn)確性。在電池電量發(fā)生變化時(shí)，DS2784會(huì)及時(shí)更新容量估算寄存器的值，為用戶提供準(zhǔn)確的電量信息。

Li+保護(hù)功能

Li+保護(hù)功能是DS2784的核心功能之一，它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電池的電壓和電流，防止電池出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流和短路等情況。當(dāng)檢測(cè)到異常情況時(shí)，保護(hù)電路會(huì)迅速采取措施，關(guān)閉相應(yīng)的FET，以保護(hù)電池和設(shè)備的安全。例如，當(dāng)電池電壓超過(guò)過(guò)壓閾值時(shí)，CC引腳會(huì)被拉低，關(guān)閉外部充電FET；當(dāng)電池電壓低于欠壓閾值時(shí)，CC和DC引腳都會(huì)被拉低，關(guān)閉充電和放電FET，并進(jìn)入睡眠模式。此外，保護(hù)電路的閾值和延遲時(shí)間都可以進(jìn)行編程，以滿足不同電池和應(yīng)用的需求。

SHA - 1認(rèn)證功能

SHA - 1認(rèn)證功能為DS2784提供了高級(jí)別的安全保障。它采用FIPS - 180兼容的SHA - 1單向哈希算法，對(duì)包含64位密鑰、64位挑戰(zhàn)和384位常量數(shù)據(jù)的消息塊進(jìn)行哈希運(yùn)算，生成消息認(rèn)證碼（MAC）。主機(jī)和DS2784都會(huì)根據(jù)共同的密鑰計(jì)算MAC，通過(guò)比較兩者的MAC值來(lái)驗(yàn)證電池的身份。這種認(rèn)證方式確保了電池與設(shè)備之間的通信安全，防止非法電池的使用。同時(shí)，DS2784還支持多種認(rèn)證命令，如寫(xiě)入挑戰(zhàn)、計(jì)算MAC等，方便用戶進(jìn)行認(rèn)證操作。

五、電源模式與控制

DS2784具有兩種電源模式：活動(dòng)模式和睡眠模式。上電時(shí)，設(shè)備默認(rèn)進(jìn)入活動(dòng)模式，此時(shí)設(shè)備的測(cè)量和容量估算功能正常運(yùn)行，保護(hù)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)，SHA - 1認(rèn)證功能也可用。在活動(dòng)模式下，當(dāng)進(jìn)行SHA - 1計(jì)算時(shí)，供電電流會(huì)增加到IDD3，持續(xù)時(shí)間為tSHA。睡眠模式下，設(shè)備會(huì)關(guān)閉測(cè)量和容量估算功能，以節(jié)省功耗，但會(huì)保留寄存器內(nèi)容。保護(hù)FET的柵極驅(qū)動(dòng)會(huì)被禁用，SHA - 1認(rèn)證功能也停止工作。

設(shè)備進(jìn)入睡眠模式有兩種情況：總線低電平和欠壓。通過(guò)控制寄存器中的使能位，可以選擇是否允許設(shè)備在這兩種情況下進(jìn)入睡眠模式。當(dāng)充電器連接（VPLS > VDD + 50mV）或檢測(cè)到充電電流時(shí)，設(shè)備不會(huì)進(jìn)入睡眠模式。設(shè)備可以通過(guò)充電器連接、VIN ≥ VUV或DQ引腳的低到高電平轉(zhuǎn)換退出睡眠模式。

此外，DS2784還具備“電源開(kāi)關(guān)”功能，當(dāng)主機(jī)系統(tǒng)斷電時(shí)，可以通過(guò)PIO引腳或DQ引腳的簡(jiǎn)單干觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)喚醒設(shè)備并啟用保護(hù)FET。通過(guò)控制寄存器中的PSPIO和PSDQ配置位，可以啟用該功能。當(dāng)滿足睡眠條件且PSPIO或PSDQ置位時(shí)，PIO和DQ引腳會(huì)微弱上拉，然后等待檢測(cè)到低電平轉(zhuǎn)換信號(hào)。100ms的去抖時(shí)間可以過(guò)濾掉電池插入系統(tǒng)時(shí)可能產(chǎn)生的干擾信號(hào)。

六、寄存器配置

DS2784擁有多個(gè)寄存器，用于控制設(shè)備的各種功能和存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。

控制寄存器

控制寄存器（地址60h）的所有位都可以進(jìn)行讀寫(xiě)操作，上電時(shí)會(huì)從參數(shù)EEPROM中恢復(fù)寄存器的值。寄存器中的各個(gè)位具有不同的功能，例如：

• NBEN：負(fù)消隱使能位，用于控制是否對(duì)負(fù)電流值進(jìn)行消隱處理。
• UVEN：欠壓使能位，允許設(shè)備在電壓低于VUV且DQ引腳穩(wěn)定時(shí)進(jìn)入睡眠模式。
• PMOD：電源模式使能位，允許設(shè)備在DQ引腳低電平持續(xù)tSLEEP時(shí)間時(shí)進(jìn)入睡眠模式。
• RNAOP：讀取網(wǎng)絡(luò)地址操作碼選擇位，用于選擇讀取網(wǎng)絡(luò)地址命令的操作碼。
• PSPIO和PSDQ：分別為PIO引腳和DQ引腳的電源開(kāi)關(guān)使能位，用于啟用相應(yīng)引腳的電源開(kāi)關(guān)功能。

保護(hù)寄存器

保護(hù)寄存器（地址00h）用于報(bào)告Li+安全電路檢測(cè)到的事件。其中，2至7位由內(nèi)部硬件設(shè)置，用于指示過(guò)壓、欠壓、過(guò)流等保護(hù)事件；0和1位用于禁用充電和放電FET的柵極驅(qū)動(dòng)。這些位在電源上電和從睡眠模式切換到活動(dòng)模式時(shí)會(huì)被設(shè)置，在活動(dòng)模式下可以通過(guò)清除這些位來(lái)禁用相應(yīng)的FET。

閾值寄存器

閾值寄存器（地址7Fh）是一個(gè)8位寄存器，用于設(shè)置保護(hù)電路的過(guò)壓、充電過(guò)流、放電過(guò)流和短路閾值。通過(guò)對(duì)這些位的編程，可以根據(jù)不同的電池和應(yīng)用需求調(diào)整保護(hù)閾值。

其他寄存器

除了上述寄存器外，DS2784還包括電壓寄存器、溫度寄存器、電流寄存器、平均電流寄存器、累積電流寄存器等，用于存儲(chǔ)電池的各種測(cè)量數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。這些寄存器的合理配置和使用，為工程師實(shí)現(xiàn)電池的精確管理提供了有力支持。

七、測(cè)量功能

電壓測(cè)量

DS2784每440ms對(duì)VIN引腳相對(duì)于VSS的電池電壓進(jìn)行一次測(cè)量，測(cè)量范圍為0至4.6V，分辨率為4.88mV。測(cè)量值以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在電壓寄存器中，并每440ms更新一次。當(dāng)電壓超過(guò)寄存器的最大值或最小值時(shí)，會(huì)以最大值或最小值進(jìn)行報(bào)告。

溫度測(cè)量

溫度測(cè)量采用集成溫度傳感器，分辨率為0.125°C，每440ms更新一次溫度寄存器的值。溫度和電池電壓測(cè)量使用同一個(gè)ADC，因此測(cè)量值是220ms的平均值，每440ms更新一次。

電流測(cè)量

電流測(cè)量通過(guò)測(cè)量低阻值電流檢測(cè)電阻RSNS兩端的電壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)，測(cè)量范圍為±51.2mV。ADC以18.6kHz的采樣率對(duì)輸入進(jìn)行差分采樣，每個(gè)轉(zhuǎn)換周期（3.52s）完成后更新電流寄存器的值。充電電流超過(guò)寄存器最大值時(shí)報(bào)告為7FFFh，放電電流低于寄存器最小值時(shí)報(bào)告為8000h。平均電流寄存器會(huì)報(bào)告前28s的平均電流值，每28s更新一次。

電流校正

為了提高測(cè)量精度，DS2784會(huì)進(jìn)行電流偏移校正和增益調(diào)整。每1024次轉(zhuǎn)換時(shí)，ADC會(huì)測(cè)量其輸入偏移，以進(jìn)行偏移校正，校正因子會(huì)應(yīng)用于后續(xù)的1023次測(cè)量。同時(shí)，通過(guò)RSGAIN寄存器可以調(diào)整電流測(cè)量增益，該寄存器在工廠進(jìn)行校準(zhǔn)，用戶也可以在模塊或電池組制造后重新編程，以校正外部檢測(cè)電阻的標(biāo)稱值變化。此外，還可以通過(guò)設(shè)置RSTC寄存器對(duì)檢測(cè)電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以提高在高溫環(huán)境下的測(cè)量準(zhǔn)確性。

八、容量估算算法

模型構(gòu)建

為了準(zhǔn)確估算電池的剩余容量，DS2784采用了FuelPack方法，結(jié)合電池在不同溫度、負(fù)載電流和充電終止點(diǎn)的性能特性，構(gòu)建了電池模型。該模型包括三條曲線：滿電曲線、活動(dòng)空電曲線和待機(jī)空電曲線，每條曲線由5條線段組成。通過(guò)查找表的方式，根據(jù)當(dāng)前溫度和電池狀態(tài)，從模型中獲取相應(yīng)的容量信息。模型中的參數(shù)存儲(chǔ)在電池參數(shù)EEPROM塊中，包括各曲線的斜率、斷點(diǎn)溫度等。

容量估算操作

在容量估算過(guò)程中，DS2784會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的電壓、溫度和電流值，結(jié)合存儲(chǔ)的電池特性參數(shù)和應(yīng)用操作限制，計(jì)算電池的剩余容量。具體操作包括老化估算、學(xué)習(xí)功能和ACR管理等。

• 老化估算：通過(guò)AS寄存器的值，根據(jù)累積放電情況對(duì)電池容量進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)ACR寄存器在每次放電周期中遞減時(shí)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器會(huì)遞增，當(dāng)計(jì)數(shù)器等于32倍的AC時(shí)，AS寄存器會(huì)遞減1，從而使電池的滿電容量按比例減小。通過(guò)調(diào)整AC寄存器的值，可以自定義老化估算速率。
• 學(xué)習(xí)功能：由于鋰離子電池的充電效率接近100%，從已知的空電點(diǎn)到滿電點(diǎn)的充電過(guò)程可以可靠地測(cè)量電池容量。當(dāng)檢測(cè)到活動(dòng)空電點(diǎn)時(shí)，學(xué)習(xí)標(biāo)志（LEARNF）會(huì)被設(shè)置，隨后開(kāi)始充電，直到電池充滿。此時(shí)，LEARNF會(huì)被清除，充電到滿電（CHGTF）標(biāo)志會(huì)被設(shè)置，并且會(huì)根據(jù)學(xué)習(xí)到的電池容量調(diào)整年齡標(biāo)量（AS）。
• ACR管理：ACR（累積電流寄存器）的值會(huì)定期調(diào)整，以確保電量計(jì)數(shù)在模型曲線的邊界內(nèi)。當(dāng)電池充滿時(shí)，ACR會(huì)被設(shè)置為當(dāng)前溫度下的年齡縮放滿電查找值。當(dāng)檢測(cè)到空電條件時(shí)，ACR的調(diào)整會(huì)根據(jù)具體情況進(jìn)行判斷。

滿電和空電檢測(cè)

滿電檢測(cè)通過(guò)監(jiān)測(cè)電池電壓和平均電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電壓讀數(shù)連續(xù)高于充電電壓（VCHG）閾值，且兩個(gè)連續(xù)的平均電流讀數(shù)低于終止電流（IMIN），并且平均電流為正且非零（> 16 LSB）時(shí)，會(huì)檢測(cè)到電池充滿，并設(shè)置CHGTF標(biāo)志。

活動(dòng)空電點(diǎn)檢測(cè)通過(guò)監(jiān)測(cè)電壓寄存器和電流讀數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電壓寄存器的值低于VAE閾值，且前兩個(gè)電流讀數(shù)為負(fù)且大于IAE時(shí)，會(huì)檢測(cè)到活動(dòng)空電點(diǎn)，并設(shè)置LEARNF標(biāo)志。

狀態(tài)寄存器

狀態(tài)寄存器（地址01h）包含多個(gè)位，用于報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)。其中，CHGTF、AEF、SEF和LEARNF位為只讀位，分別表示充電終止、活動(dòng)空電、待機(jī)空電和學(xué)習(xí)標(biāo)志；UVF和PORF位可以通過(guò)寫(xiě)入零來(lái)清除，分別表示欠壓和上電復(fù)位標(biāo)志。這些標(biāo)志位為用戶提供了電池狀態(tài)的重要信息，方便進(jìn)行電池管理和控制。

結(jié)果寄存器

DS2784每3.5s處理一次測(cè)量數(shù)據(jù)和電池特性數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生七個(gè)結(jié)果寄存器，包括FULL(T)、AE(T)、SE(T)、RAAC、RSAC、RARC和RSRC。這些寄存器提供了電池在當(dāng)前溫度下的滿電容量、活動(dòng)空電容量、待機(jī)空電容量、剩余活動(dòng)絕對(duì)容量、剩余待機(jī)絕對(duì)容量、剩余活動(dòng)相對(duì)容量和剩余待機(jī)相對(duì)容量等信息，用戶可以直接使用這些信息進(jìn)行顯示或進(jìn)一步的系統(tǒng)處理。

九、認(rèn)證功能

認(rèn)證原理

DS2784采用FIPS - 180兼容的SHA - 1單向哈希算法進(jìn)行認(rèn)證。認(rèn)證過(guò)程基于一個(gè)512位的消息塊，包括64位密鑰、64位挑戰(zhàn)和384位常量數(shù)據(jù)。主機(jī)和DS2784都會(huì)根據(jù)共同的密鑰計(jì)算消息認(rèn)證碼（MAC），通過(guò)比較兩者的MAC值來(lái)驗(yàn)證電池的身份。密鑰不會(huì)在總線上傳輸，因此可以有效防止密鑰被竊取。

認(rèn)證命令

DS2784提供了多種認(rèn)證命令，包括寫(xiě)入挑戰(zhàn)（Write Challenge）、計(jì)算MAC（Compute MAC）和計(jì)算下一個(gè)密鑰（Compute Next Secret）等。寫(xiě)入挑戰(zhàn)命令用于向DS2784寫(xiě)入64位挑戰(zhàn)，計(jì)算MAC命令用于計(jì)算消息塊的哈希值并返回160位的MAC，計(jì)算下一個(gè)密鑰命令用于生成新的密鑰。這些命令的使用需要遵循特定的時(shí)序和操作流程，以確保認(rèn)證的準(zhǔn)確性和可靠性。

密鑰管理

為了確保密鑰的安全性，DS2784還提供了密鑰管理功能，包括清除密鑰（Clear Secret）和鎖定密鑰（Lock Secret）。清除密鑰命令將64位密鑰設(shè)置為全0，鎖定密鑰命令將密鑰寫(xiě)入保護(hù)，防止意外或惡意覆蓋密鑰值。

十、1 - Wire總線系統(tǒng)

系統(tǒng)概述

1 - Wire總線是一種單主多從的通信系統(tǒng)，DS2784作為從設(shè)備與主機(jī)進(jìn)行通信。該系統(tǒng)包括64位網(wǎng)絡(luò)地址、CRC生成、硬件配置、事務(wù)序列和1 - Wire信號(hào)等方面。

64位網(wǎng)絡(luò)地址

每個(gè)DS2784都有一個(gè)唯一的、工廠編程的64位1 - Wire網(wǎng)絡(luò)地址，包括8位家族碼、48位序列號(hào)和8位CRC。該地址用于設(shè)備的識(shí)別和通信