低功耗利器：DS2746電池監(jiān)測芯片詳解

在電子設(shè)備的設(shè)計中，電池容量監(jiān)測是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。尤其是在成本敏感的應(yīng)用場景下，選擇一款合適的電池監(jiān)測芯片能有效提升產(chǎn)品的性能和競爭力。今天，我們就來深入了解一下Maxim公司的DS2746芯片，看看它是如何實現(xiàn)高效、精準的電池容量監(jiān)測的。

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一、DS2746概述

DS2746是一款專為成本敏感型應(yīng)用設(shè)計的系統(tǒng)側(cè)電池容量監(jiān)測芯片。它通過2線接口向主機處理器提供電壓、雙向電流和累積電流測量數(shù)據(jù)。偏移偏置和偏移消隱功能大大提高了庫侖計數(shù)器的精度。此外，該芯片還有兩個輔助A/D輸入，可用于采樣電池組識別電阻、熱敏電阻或其他電壓源，測量結(jié)果以電源電壓的比例分數(shù)形式報告，消除了與電源相關(guān)的誤差。

主要特性

高精度電流測量：具備14位雙向電流測量能力，LSB為6.25μV，動態(tài)范圍為±51.2mV。當(dāng)(R_{SNS}=15mΩ)時，LSB為416.7μA，范圍為±3.4A。
高分辨率電壓測量：11位電池電壓測量，LSB為2.44mV，輸入范圍為0V至4.5V，在3.6V輸入時精度為±10mV。
輔助輸入測量：兩個11位輔助輸入電壓測量，比例輸入消除電源誤差，(V_{OUT})驅(qū)動分壓器，降低功耗，精度為±8 LSB。
低功耗設(shè)計：典型工作電流為70μA，最大100μA；睡眠電流典型值為1μA，最大3μA。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

DS2746的應(yīng)用范圍非常廣泛，常見于以下設(shè)備：

無線手持設(shè)備：如2.5G/3G無線手機、PDA/智能手機等。
數(shù)碼影像設(shè)備：包括數(shù)碼相機和數(shù)碼攝像機。
手持計算機和終端：為這些設(shè)備提供精確的電池容量監(jiān)測。

三、電氣特性

絕對最大額定值

電壓范圍：任何引腳相對于地的電壓范圍為 -0.3V至 +6V。
溫度范圍：工作溫度范圍為 -40°C至 +85°C，存儲溫度范圍為 -55°C至 +125°C。
焊接溫度：需參考IPC/JEDEC J - STD - 020A標準。

在(V{DD}=2.5V)至4.5V，(T{A}=-20^{circ}C)至 +70°C的條件下，各引腳的電壓范圍如下：	參數(shù)	條件	典型值	最大值	單位
電源電壓	(V_{DD})	+2.5	+4.5	V
數(shù)據(jù)I/O引腳	SCL, SDA	-0.3	+5.5	V
可編程I/O引腳	PIO	-0.3	+5.5	V
(V_{IN}), AIN0, AIN1引腳	(V_{IN}), AIN0, AIN1	-0.3	(V_{DD}) + 0.3	V

DC電氣特性

在上述工作條件下，芯片的各項電氣特性參數(shù)如下：	參數(shù)	符號	條件	最小值	典型值	最大值
工作電流	(I_{AC TIVE})			70	100	μA
		(V_{DD}=4.5V)			105	μA
睡眠模式電流	(I_{SLEEP})	(V{DD}=2.0V), SCL, SDA = (V{ss})		0.5	1.0	μA
		SCL, SDA = (V_{ss})		1	3	μA
電流分辨率	(I_{LSB})			6.25		μV
電流滿量程	(I_{FS})		±51.2			mV
電流偏移	(I_{OERR})		-12.5		+12.5	μV
電流增益誤差	(I_{GERR})		-1.5		+1.5	% of reading
時基精度		(V_{DD}=3.6V) at +25°C	-1		+1	%
		(T_{A}=0^{circ}C) to +70°C	-2		+2	%
		(T_{A}=-20^{circ}C) to +70°C	-3		+3	%
電壓誤差	(V_{GERR})	(V{DD}=V{IN}=3.6V)	-10		+10	mV
			-20		+20	mV
輸入電阻 (V_{IN}), AIN0, AIN1	(R_{IN})		15			MΩ
AIN0, AIN1誤差	(AIN_{GERR})		-8		+8	LSB
(V_{OUT})輸出驅(qū)動		(I_{O}=1mA)	(V_{DD}) - 0.1			V
(V_{OUT})預(yù)充電時間	(t_{PRE})	(V_{ODIS}) bit = 0	13.3		14.2	ms
輸入邏輯高：SCL, SDA	(V_{IH})		1.5			V
輸入邏輯低：SCL, SDA	(V_{IL})				0.6	V
輸出邏輯低：SDA	(V_{OL})	(I_{OL}=4mA)			0.4	V
下拉電流：SCL, SDA	(I_{PD})	(V{DD}=4.2V), (V{PIN}=0.4V)	0.2			μA
輸入電容：SCL, SDA	(C_{BUS})		50		pF
總線低超時時間	(t_{SLEEP})		2.2		s

2線接口電氣特性

參數(shù)	符號	最小值	最大值	單位
SCL時鐘頻率	(f_{SCL})	0	400	KHz
停止和起始條件之間的總線空閑時間	(t_{BUF})	1.3		μs
重復(fù)起始條件的保持時間	(t_{HD:STA})	0.6		μs
SCL時鐘的低電平周期	(t_{LOW})	1.3		μs
SCL時鐘的高電平周期	(t_{HIGH})	0.6		μs
重復(fù)起始條件的建立時間	(t_{SU:STA})	0.6		μs
數(shù)據(jù)保持時間	(t_{HD:DAT})	0	0.9	μs
數(shù)據(jù)建立時間	(t_{SU:DAT})	100		ns
SDA和SCL信號的上升時間	(t_{R})	20 + 0.1(C_{B})	300	ns
SDA和SCL信號的下降時間	(t_{F})	20 + 0.1(C_{B})	300	ns
停止條件的建立時間	(t_{SU:STO})	0.6		μs
輸入濾波器抑制的尖峰脈沖寬度	(t_{SP})	0	50	ns
每條總線的電容負載	(C_{B})		400	pF
SCL, SDA輸入電容	(C_{BIN})		60	pF

四、引腳描述

引腳	名稱	功能
1	AIN1	輔助電壓輸入1
2	AIN0	輔助電壓輸入0
3	SCL	串行時鐘輸入，2線時鐘線
4	SDA	串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，開漏2線數(shù)據(jù)線
5	SNS	電流檢測輸入，連接到檢測電阻的手機側(cè)
6	(V_{SS})	設(shè)備接地，連接到檢測電阻的電池側(cè)
7	CTG	連接到地，連接到檢測電阻的電池側(cè)
8	(V_{OUT})	電壓輸出，為輔助輸入電壓測量分壓器供電
9	(V_{IN})	電池電壓輸入，通過此引腳測量電池組電壓
10	(V_{DD})	電源輸入，輸入范圍2.5V至4.5V
PAD	PAD	外露焊盤，連接到(V_{SS})

五、工作模式

1. 工作模式

DS2746有兩種工作模式：活動模式和睡眠模式。

活動模式：芯片作為高精度電池監(jiān)測器，持續(xù)進行電壓、輔助輸入、電流和累積電流測量，并將結(jié)果更新到測量寄存器中，允許對所有寄存器進行讀寫操作。
睡眠模式：芯片處于低功耗狀態(tài)，無測量活動。

2. 模式轉(zhuǎn)換條件

從睡眠模式轉(zhuǎn)換到活動模式：當(dāng)((SCL > V{IH})) 或 ((SDA > V{IH})) 時，DS2746從睡眠模式轉(zhuǎn)換到活動模式。
從活動模式轉(zhuǎn)換到睡眠模式：當(dāng) (SMOD = 1) 且 ((SCL < V{IL})) 且 ((SDA < V{IL})) 持續(xù) (t_{SLEEP}) 時間時，DS2746從活動模式轉(zhuǎn)換到睡眠模式。

需要注意的是，如果 (SMOD = 1)，SCL和SDA上需要上拉電阻，以確保電池充電時DS2746能從睡眠模式轉(zhuǎn)換到活動模式，否則芯片將一直處于睡眠模式，無法累積充電電流。

六、測量序列

1. 電流測量

DS2746在活動模式下，通過測量連接在SNS和(V{SS})引腳之間的低阻值電流檢測電阻(R{SNS})上的電壓降，持續(xù)測量電池的充放電電流。電流測量分辨率為13位加符號位，每878ms更新一次電流寄存器，記錄該時間段的平均電流值。

2. 電壓測量

所有電壓測量分辨率為11位加符號位。DS2746按順序依次測量(V{IN})、AIN0和AIN1，每個輸入的電壓測量需要220ms完成，一個完整的電壓測量序列需要660ms。在AIN0測量前，(V{OUT})會有一個預(yù)充電時間(t{PRE})，只要(V{ODIS})（輸出禁用）位清零，(V_{OUT})引腳在整個AIN0和AIN1測量序列中都保持啟用狀態(tài)。

七、寄存器功能

1. 電壓寄存器

電池電壓在(V{IN})輸入處相對于(V{SS})進行測量，范圍為0V至4.997V（受(V_{DD})引腳電壓限制），分辨率為2.44mV。結(jié)果每660ms更新一次，記錄最后220ms的平均電壓，并以二進制補碼形式存儲在電壓寄存器中。

2. 輔助輸入寄存器

DS2746允許測量兩個輔助輸入AIN0和AIN1相對于(V_{SS})的電壓。這些輸入用于測量電阻比，特別適用于測量熱敏電阻或電池組識別電阻。每個輔助輸入測量每660ms更新一次，記錄220ms轉(zhuǎn)換周期內(nèi)的平均電壓，并以二進制補碼形式存儲在AIN0和AIN1寄存器中。

3. 電流寄存器

電流測量結(jié)果以二進制補碼形式存儲在電流寄存器中，每878ms更新一次。不同的檢測電阻(R_{SNS})對應(yīng)不同的電流分辨率和范圍，具體如下：	(R_{SNS})	電流分辨率 (1 LSB)
20mΩ	6.25μV / 312.5μA	±2.56A
15mΩ	416.7μA	±3.41A
10mΩ	625μA	±5.12A
5mΩ	1.25mA	±10.24A

4. 累積電流寄存器 (ACR)

ACR作為一個上下計數(shù)器，記錄電池中存儲的電荷量。每次電流測量轉(zhuǎn)換完成后，電流測量結(jié)果加上可編程偏置值會在內(nèi)部累加，并顯示在ACR中。ACR的范圍為0mVh至 +409.6mVh，LSb為6.25μVh。不同檢測電阻下ACR的動態(tài)范圍如下：	(R_{SNS})	ACR范圍
20mΩ	20.48Ah
15mΩ	27.31Ah
10mΩ	40.96Ah
5mΩ	81.92Ah

5. 電流偏移偏置寄存器 (COBR)

COBR允許將可編程偏移值添加到原始電流測量中，結(jié)果顯示在電流寄存器中，并用于電流累積。COBR可以校正靜態(tài)偏移誤差，也可以有意改變電流結(jié)果和累積值。COBR可在1.56μV的步長內(nèi)編程，取值范圍為 +198μV至 -200μV。

6. 電流消隱功能

電流消隱功能在電流測量結(jié)果累積到ACR之前對其進行修改。當(dāng)電流測量值（原始電流 + COBR）落在兩個定義的范圍內(nèi)時，會有條件地進行電流消隱。第一個范圍防止小于(100μV / R{SNS})的充電電流累積，第二個范圍防止幅值小于(25μV / R{SNS})的放電電流累積。充電電流消隱始終執(zhí)行，而放電電流消隱需要通過設(shè)置狀態(tài)/配置寄存器中的NBEN位來啟用。

7. 累積偏置寄存器 (ABR)

ABR允許將可編程偏移值添加到電流累積過程中。新的ACR值由電流寄存器值加上ABR再加上前一個ACR值得到。ABR可用于有意改變電流累積，以估計太小而無法測量的系統(tǒng)待機電流。ABR值不受電流消隱閾值的影響，可在6.25μV的步長內(nèi)設(shè)置，取值范圍為 +193.75μV至 -200μV。

8. 狀態(tài)/配置寄存器

狀態(tài)/配置寄存器可讀寫，部分位為只讀。各比特位的功能如下：

PORF：上電復(fù)位標志，指示初始上電，需用戶手動清零以指示后續(xù)上電事件。
SMOD：睡眠模式使能，值為1時允許芯片在SCL和SDA低電平持續(xù)(t_{SLEEP})時間時進入睡眠模式，默認值為1。
NBEN：負消隱使能，值為1時啟用幅值小于25μV的負電流消隱，默認值為1。
(V_{ODIS})：(V{OUT})禁用，值為0時在AIN0轉(zhuǎn)換開始前(t{PRE})時間驅(qū)動(V_{OUT})，在AIN1轉(zhuǎn)換結(jié)束后禁用，默認值為0。
AIN1：AIN1

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一、DS2746概述

主要特性

二、應(yīng)用領(lǐng)域