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

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，我們來深入了解一款低功耗的1節(jié)電池電量計——MAX17055，它采用了Maxim ModelGauge? m5 EZ算法，為電池電量測量帶來了新的解決方案。

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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，它實現(xiàn)了Maxim ModelGauge? m5 EZ算法。該算法的優(yōu)勢在于無需進行電池特性表征，簡化了主機軟件交互，為電量計的實現(xiàn)提供了極大的便利。

（一）算法優(yōu)勢

ModelGauge m5 EZ算法結(jié)合了庫侖計數(shù)器的短期精度和線性度，以及基于電壓的電量計的長期穩(wěn)定性，并具備溫度補償功能，提供了行業(yè)領(lǐng)先的電量計精度。它能夠自動補償電池老化、溫度和放電率的影響，準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mAh表示）。當電池接近電量耗盡的臨界區(qū)域時，該算法會啟動特殊的補償機制，消除任何誤差。此外，它還提供了三種報告電池老化的方法：容量降低、電池電阻增加和循環(huán)里程計。

（二）測量功能

MAX17055能夠精確測量電流、電壓和溫度。電池組的溫度可以通過內(nèi)部溫度測量或外部熱敏電阻進行測量。通過2線I2C接口，用戶可以訪問數(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，滿足不同應用場景的需求。

二、產(chǎn)品特性與優(yōu)勢

（一）ModelGauge m5 EZ算法特性

1. 無需特性表征：無需對電池進行特性表征即可實現(xiàn)出色的性能，減少了開發(fā)時間和成本。
2. 抗電池差異能力強：對大多數(shù)鋰電池和應用中的電池差異具有較強的耐受性，確保了在不同電池條件下的穩(wěn)定性能。
3. 消除接近空電壓時的誤差：在電池接近電量耗盡時，能夠有效消除誤差，提供準確的電量信息。
4. 消除庫侖計數(shù)器漂移：避免了傳統(tǒng)庫侖計數(shù)器因電流測量偏移誤差積累而導致的漂移問題。
5. 電流、溫度和老化補償：自動補償電池的電流、溫度和老化因素，提高了電量測量的準確性。
6. 無需空、滿或空閑狀態(tài)：在各種電池狀態(tài)下都能正常工作，無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，有助于延長電池的使用壽命，適用于對功耗要求較高的應用。
2. 寬感測電阻范圍：支持1mΩ至1000mΩ的感測電阻，可根據(jù)不同的應用需求進行選擇。
3. 支持多種電池類型：支持Li+及其變體，包括LiFePO?電池。
4. 高精度溫度測量：內(nèi)部溫度測量精度為±1°C，也可使用外部熱敏電阻進行溫度測量。
5. 動態(tài)功率估計：能夠在放電過程中估計功率能力，提供時間到空和時間到滿的估計，支持恒定功率或恒定電流模式。
6. 精確測量系統(tǒng)：無需校準，提供高精度的測量結(jié)果。
7. 警報指示功能：可對電壓、SOC、溫度、電流和1% SOC變化進行警報指示，方便用戶及時了解電池狀態(tài)。

三、應用領(lǐng)域

MAX17055適用于多種應用領(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，低功耗特性能夠滿足其長時間續(xù)航的需求。
2. 智能手機和平板電腦：準確的電量測量有助于提供更好的用戶體驗。
3. 藍牙耳機：確保耳機在使用過程中能夠準確顯示電量。
4. 健康和健身監(jiān)測設(shè)備：為設(shè)備提供可靠的電量信息。
5. 數(shù)碼相機和攝像機：保證拍攝過程中電量的準確顯示。
6. 醫(yī)療設(shè)備：對電量測量的準確性要求較高，MAX17055能夠滿足其需求。
7. 手持計算機和終端：為設(shè)備的正常運行提供電量保障。
8. 無線揚聲器：提供準確的電量指示，方便用戶合理使用設(shè)備。
9. 家庭和建筑自動化設(shè)備及傳感器：確保設(shè)備在不同環(huán)境下的穩(wěn)定運行。
10. 便攜式游戲玩家和玩具：為娛樂設(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。
• 啟動電壓：最大為3.0V。
• 關(guān)機電源電流：在TA ≤ +50°C時，典型值為0.5μA，最大值為0.9μA。
• 休眠電源電流：在TA ≤ +50°C時，平均電流典型值為7μA，最大值為12μA。
• 活動電源電流：在TA ≤ +50°C時，不包括熱敏電阻測量電流，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)

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

（三）電流測量參數(shù)

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

（四）溫度測量參數(shù)

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

（五）輸入/輸出參數(shù)

• 輸出驅(qū)動高電平：在IOH = -1mA、VBATT = 2.3V時，VOH = VBATT - 0.1V。
• 輸出驅(qū)動低電平：在IOL = 4mA、VBATT = 2.3V時，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)

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

五、引腳配置與功能

（一）引腳配置

（二）功能說明

通過這些引腳，MAX17055能夠?qū)崿F(xiàn)對電池電壓、電流和溫度的測量，并與主機進行通信，同時提供警報功能。

六、典型應用電路

（一）應用場景

MAX17055可應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)絡進行溫度測量；在固定電池系統(tǒng)中，使用IC內(nèi)部的溫度測量功能，節(jié)省了兩個組件的成本和尺寸。

（二）電路設(shè)計要點

• 電流測量：通過連接在CSP和CSN引腳之間的外部感測電阻測量系統(tǒng)電流。
• 電壓測量：在BATT和CSP引腳之間進行系統(tǒng)電壓測量。
• 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。
• 外露焊盤連接：當使用TDFN封裝時，將外露焊盤（EP）直接連接到CSP。

七、ModelGauge m5 EZ算法詳解

（一）傳統(tǒng)電量計的局限性

傳統(tǒng)的基于庫侖計數(shù)器的電量計具有良好的線性度和短期性能，但由于電流感測測量中的偏移誤差積累，會導致漂移問題。基于電壓測量的SOC估計雖然不會積累偏移誤差，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

ModelGauge m5算法將高精度的庫侖計數(shù)器與先進的電壓電量計（VFG）相結(jié)合。VFG能夠在電流流動時估計開路電壓（OCV），并模擬鋰離子電池的非線性內(nèi)部動態(tài)，以確定SOC，且不會積累偏移誤差。通過混合算法，將VFG容量與庫侖計數(shù)器的結(jié)果進行加權(quán)組合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，消除了各自的弱點。

（三）算法的自適應能力

該算法能夠根據(jù)電池的溫度、電流、老化和應用參數(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。當電池接近電量耗盡時，算法會啟動特殊的誤差校正機制，消除任何誤差。同時，算法還能通過獨立的學習例程，不斷適應電池和應用的變化。

八、寄存器配置與應用

（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（存儲電池的標稱容量）、VEmpty寄存器（設(shè)置與空檢測相關(guān)的閾值）、ModelCfg寄存器（控制EZ算法的基本選項）、IChgTerm寄存器（用于檢測充電終止）、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（報告剩余容量）、RepSOC寄存器（報告充電狀態(tài)百分比）、FullCapRep寄存器（報告與RepCap對應的滿容量）、TTE寄存器（估計到空的時間）、TTF寄存器（估計到滿的時間）、Cycles寄存器（記錄電池的充放電循環(huán)次數(shù)）和Status寄存器（維護與警報閾值和電池插入/移除相關(guān)的標志）等。

（三）模擬測量寄存器

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

（四）警報功能寄存器

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

九、布局指南

為了確保電壓、溫度和電流測量的準確性，需要遵循以下布局指南：

1. 感測電阻連接：CSN和CSP跡線應與感測電阻進行開爾文連接，避免共享高電流路徑，以提高電流測量的準確性。
2. 外露焊盤連接：對于TDFN封裝設(shè)計，將EP直接連接到CSP引腳。
3. REG電容布局：最小化REG電容跡線的環(huán)路面積，將REG盡可能靠近IC連接到CSP引腳，并僅運行一條CSP跡線到感測電阻，以過濾內(nèi)部穩(wěn)壓電源的噪聲。
4. 接地連接：所有其他接地連接應與CSP或CSN跡線分開，開爾文線不應與其他電路共享，開爾文跡線上不建議使用過孔。

十、訂購信息

總之，MAX17055憑借其低功耗、高精度和強大的算法，為電池電量測量提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在實際應用中，電子工程師可以根據(jù)具體需求選擇合適的封裝和配置，以實現(xiàn)最佳的性能。你在使用MAX17055的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。