MAX17043/MAX17044：鋰電池電量計(jì)的卓越之選

在手持和便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確監(jiān)測鋰電池的電量狀態(tài)至關(guān)重要。MAX17043/MAX17044作為超緊湊型、低成本的主機(jī)端電量計(jì)系統(tǒng)，為鋰離子（Li+）電池的電量監(jiān)測提供了出色的解決方案。本文將深入介紹MAX17043/MAX17044的特點(diǎn)、性能、工作原理以及應(yīng)用示例，幫助電子工程師更好地了解和應(yīng)用這兩款產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品概述

MAX17043/MAX17044專為手持和便攜式設(shè)備中的鋰離子電池設(shè)計(jì)。其中，MAX17043適用于單節(jié)鋰電池，而MAX17044則適用于雙節(jié)2S電池組。它們采用了先進(jìn)的ModelGauge?電池建模方案，能夠在廣泛變化的充放電曲線下連續(xù)跟蹤電池的相對(duì)荷電狀態(tài)（SOC）。與傳統(tǒng)電量計(jì)不同，該算法無需電池重新學(xué)習(xí)周期和外部電流感測電阻，并且在應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，只需微控制器與設(shè)備進(jìn)行最少的交互。

這兩款I(lǐng)C可以位于系統(tǒng)側(cè)，從而降低了電池的成本和供應(yīng)鏈限制。測量和估計(jì)的容量數(shù)據(jù)集可以通過I2C接口訪問。MAX17043/MAX17044提供0.4mm間距的9凸點(diǎn)UCSP?或2mm x 3mm、8引腳TDFN無鉛封裝。

二、產(chǎn)品特性

2.1 電量計(jì)配置

• 單節(jié)/雙節(jié)電池支持：MAX17043適用于單節(jié)鋰電池，MAX17044適用于雙節(jié)2S電池組。
• 主機(jī)側(cè)或電池側(cè)電量監(jiān)測：可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求靈活選擇安裝位置。

2.2 高精度電壓測量

• MAX17043：在5.00V范圍內(nèi)，精度為±12.5mV。
• MAX17044：在10.00V范圍內(nèi)，精度為±30mV。

2.3 精確的相對(duì)容量計(jì)算

• ModelGauge算法：通過先進(jìn)的算法準(zhǔn)確計(jì)算相對(duì)容量（RSOC），無需測量偏移累積，也無需電池從滿電到空電的重新學(xué)習(xí)。
• 無需感測電阻：減少了外部元件，降低了成本。

2.4 其他特性

• 低電量警告：提供外部警報(bào)/中斷功能，當(dāng)電池電量低時(shí)發(fā)出警告。
• 2線接口：方便與其他設(shè)備進(jìn)行通信。
• 低功耗：延長電池續(xù)航時(shí)間。
• 小型封裝：提供8引腳2mm x 3mm TDFN封裝或0.4mm間距的9凸點(diǎn)UCSP封裝，節(jié)省電路板空間。

三、電氣特性

3.1 絕對(duì)最大額定值

3.2 推薦直流工作條件

電源電壓范圍為2.5V至4.5V，工作溫度范圍為-20°C至+70°C。

3.3 直流電氣特性

包括有源電流、睡眠模式電流、時(shí)基精度、電壓測量誤差等參數(shù)，具體數(shù)值可參考文檔中的表格。

3.4 2線接口電氣特性

支持高達(dá)400kHz的SCL時(shí)鐘頻率，滿足不同通信速率的需求。還規(guī)定了總線空閑時(shí)間、數(shù)據(jù)保持時(shí)間、數(shù)據(jù)建立時(shí)間等時(shí)序參數(shù)，確保通信的穩(wěn)定性。

四、工作原理

4.1 ModelGauge算法

MAX17043/MAX17044使用復(fù)雜的電池模型來確定非線性鋰離子電池的SOC。該模型有效地模擬了鋰離子電池的內(nèi)部動(dòng)態(tài)，考慮了電池中化學(xué)反應(yīng)和阻抗引起的時(shí)間效應(yīng)。與傳統(tǒng)的庫侖計(jì)數(shù)器不同，該算法不會(huì)隨著時(shí)間累積誤差，避免了因電流感測偏移和電池自放電導(dǎo)致的SOC漂移問題。為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，需要根據(jù)具體應(yīng)用對(duì)MAX17043/MAX17044進(jìn)行配置數(shù)據(jù)編程。

4.2 電量計(jì)性能

傳統(tǒng)的基于庫侖計(jì)數(shù)器的電量計(jì)由于電流感測測量中的偏移誤差累積，會(huì)出現(xiàn)精度漂移問題。而MAX17043/MAX17044不依賴電流信息，因此不會(huì)受到漂移問題的影響。為了確定電量計(jì)的真實(shí)精度，需要對(duì)電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試，而不僅僅是簡單的循環(huán)測試。

4.3 IC上電和快速啟動(dòng)

• IC上電：當(dāng)電池首次插入系統(tǒng)時(shí)，IC假設(shè)電池在前30分鐘處于松弛狀態(tài)，通過第一次A/D電壓測量對(duì)SOC進(jìn)行初步估計(jì)。隨著時(shí)間的推移，由于電池未處于松弛狀態(tài)引起的初始誤差會(huì)逐漸消失。
• 快速啟動(dòng)：如果應(yīng)用的上電序列噪聲過大，導(dǎo)致IC對(duì)SOC的“首次猜測”引入過多誤差，主機(jī)可以通過QSTRT引腳的上升沿或向MODE寄存器寫入4000h來啟動(dòng)快速啟動(dòng)，以減少誤差。

4.4 警報(bào)中斷

當(dāng)電池的SOC低于CONFIG寄存器地址0Dh處設(shè)置的預(yù)定義警報(bào)閾值時(shí)，MAX17043/MAX17044會(huì)觸發(fā)中斷，將ALRT引腳驅(qū)動(dòng)為低電平，并將CONFIG寄存器中的ALRT位設(shè)置為邏輯1。主機(jī)軟件需要將ALRT位寫為邏輯0來清除中斷。只有當(dāng)SOC先上升到閾值以上，再下降到閾值以下時(shí)，才會(huì)再次觸發(fā)中斷。

4.5 睡眠模式

將SDA和SCL都保持為低電平可以使MAX17043/MAX17044進(jìn)入睡眠模式，此時(shí)IC的所有操作停止，功耗大大降低。退出睡眠模式后，電量計(jì)操作將從停止的點(diǎn)繼續(xù)。也可以通過I2C通信將CONFIG寄存器中的SLEEP位設(shè)置為邏輯1來進(jìn)入睡眠模式，退出睡眠模式則需要將SLEEP位寫為邏輯0或進(jìn)行上電復(fù)位。

4.6 上電復(fù)位（POR）

向COMMAND寄存器寫入0054h可以使MAX17043/MAX17044完全復(fù)位，就像電源被移除一樣。復(fù)位在最后一位時(shí)鐘信號(hào)輸入后發(fā)生，IC在該命令序列后不會(huì)返回I2C ACK。

五、寄存器介紹

MAX17043/MAX17044有六個(gè)16位寄存器，分別是SOC、VCELL、MODE、VERSION、CONFIG和COMMAND。所有與主機(jī)的交互都通過對(duì)這些寄存器的讀寫操作來完成。

5.1 VCELL寄存器

用于報(bào)告電池電壓的12位A/D測量結(jié)果。MAX17043的測量范圍為0至5.00V，分辨率為1.25mV；MAX17044的測量范圍為0至10.00V，分辨率為2.50mV。A/D在IC上電復(fù)位后125ms內(nèi)計(jì)算平均電池電壓，之后每個(gè)周期為500ms。退出睡眠模式后，VCELL寄存器需要500ms來更新。

5.2 SOC寄存器

只讀寄存器，顯示通過ModelGauge算法計(jì)算的電池SOC結(jié)果，以電池滿容量的百分比表示。該寄存器會(huì)自動(dòng)適應(yīng)電池尺寸的變化，因?yàn)镸AX17043/MAX17044能夠自然識(shí)別相對(duì)SOC。首次更新在IC上電復(fù)位后250ms內(nèi)發(fā)生，后續(xù)更新間隔根據(jù)應(yīng)用條件而定。

5.3 MODE寄存器

允許主機(jī)處理器向IC發(fā)送特殊命令，目前只有4000h對(duì)應(yīng)快速啟動(dòng)命令。

5.4 VERSION寄存器

只讀寄存器，包含MAX17043/MAX17044的生產(chǎn)版本信息。

5.5 CONFIG寄存器

用于補(bǔ)償ModelGauge算法，控制警報(bào)中斷功能，并通過軟件將IC強(qiáng)制進(jìn)入睡眠模式。CONFIG是一個(gè)8位值，可以根據(jù)不同的鋰化學(xué)物質(zhì)或不同的工作溫度進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化IC性能。

5.6 COMMAND寄存器

允許主機(jī)處理器向IC發(fā)送特殊命令，目前只有0054h對(duì)應(yīng)上電復(fù)位命令。

六、應(yīng)用示例

6.1 MAX17043應(yīng)用示例

圖6展示了一個(gè)1S電池組的應(yīng)用示例。MAX17043安裝在系統(tǒng)側(cè)，直接由電池組供電。VDD和CELL上的外部RC網(wǎng)絡(luò)用于對(duì)IC電源和A/D測量進(jìn)行噪聲濾波。ALRT引腳連接到微處理器的中斷輸入，以便在電池電量低時(shí)發(fā)出信號(hào)。QSTRT引腳未使用，連接到GND。

6.2 MAX17044應(yīng)用示例

圖7展示了一個(gè)2S電池組的應(yīng)用示例。MAX17044安裝在系統(tǒng)側(cè)，由系統(tǒng)生成的3.3V電源供電。CELL引腳通過外部噪聲濾波器直接連接到PACK+。ALRT引腳未連接，因?yàn)樵搼?yīng)用中未使用中斷功能。上電后，系統(tǒng)看門狗在QSTRT引腳上產(chǎn)生一個(gè)低到高的轉(zhuǎn)換，以信號(hào)MAX17044執(zhí)行快速啟動(dòng)。

七、2線總線系統(tǒng)

7.1 總線操作

2線總線系統(tǒng)支持作為僅從設(shè)備在單從或多從、單主或多主系統(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。2線接口由串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線（SCL）組成，提供MAX17043/MAX17044從設(shè)備與主設(shè)備之間的雙向通信，速度可達(dá)400kHz。

7.2 位傳輸

每個(gè)SCL時(shí)鐘周期傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)位，SDA邏輯電平在SCL時(shí)鐘脈沖的高電平期間必須保持穩(wěn)定。SCL為高電平時(shí)，SDA的任何變化都被解釋為START或STOP控制信號(hào)。

7.3 總線空閑

當(dāng)沒有主設(shè)備控制時(shí)，總線處于空閑狀態(tài)，SDA和SCL都保持高電平。STOP條件是使總線返回空閑狀態(tài)的正確方法。

7.4 START和STOP條件

主設(shè)備通過在SCL為高電平時(shí)將SDA從高電平轉(zhuǎn)換為低電平來發(fā)起START條件（S），開始一個(gè)事務(wù)。主設(shè)備通過在SCL為高電平時(shí)將SDA從低電平轉(zhuǎn)換為高電平來終止STOP條件（P）。重復(fù)START條件（Sr）可以在不使總線返回空閑狀態(tài)的情況下終止一個(gè)事務(wù)并開始另一個(gè)事務(wù)。

7.5 確認(rèn)位

每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的傳輸都通過確認(rèn)位（A）或無確認(rèn)位（N）進(jìn)行確認(rèn)。主設(shè)備和MAX17043從設(shè)備都會(huì)生成確認(rèn)位。通過監(jiān)測確認(rèn)位可以檢測數(shù)據(jù)傳輸是否成功。如果接收設(shè)備忙或系統(tǒng)發(fā)生故障，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗，此時(shí)總線主設(shè)備應(yīng)重新嘗試通信。

7.6 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。由多字節(jié)值組成的MAX17043/MAX17044寄存器也是MSb在前，多字節(jié)寄存器的MSb存儲(chǔ)在偶數(shù)數(shù)據(jù)內(nèi)存地址中。

7.7 從地址

總線主設(shè)備通過發(fā)出START條件，然后發(fā)送從地址（SAddr）和讀/寫（R/W）位來啟動(dòng)與從設(shè)備的通信。MAX17043/MAX17044的7位從地址固定為6Ch（寫）/6Dh（讀）。R/W位決定了后續(xù)字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸方向，R/W = 0表示寫事務(wù)，R/W = 1表示讀事務(wù)。

7.8 總線時(shí)序

MAX17043/MAX17044與高達(dá)400kHz的任何總線時(shí)序兼容，無需特殊配置即可在任何速度下運(yùn)行。

7.9 2線命令協(xié)議

命令協(xié)議涉及多種事務(wù)格式，包括基本的寫和讀事務(wù)，以及寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)協(xié)議。每個(gè)命令格式中的所有字節(jié)都需要從設(shè)備或主機(jī)返回確認(rèn)位后才能繼續(xù)下一個(gè)字節(jié)。

八、總結(jié)

MAX17043/MAX17044以其先進(jìn)的ModelGauge算法、高精度的電壓測量、低功耗等特點(diǎn)，為鋰離子電池的電量監(jiān)測提供了可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師可以根據(jù)具體需求選擇合適的配置和引腳連接方式，通過2線總線系統(tǒng)與主機(jī)進(jìn)行通信。同時(shí)，了解寄存器的功能和操作方法，能夠更好地實(shí)現(xiàn)電量計(jì)的各種功能。你在使用MAX17043/MAX17044的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。