MAX17047/MAX17050：?jiǎn)喂?jié)電池電量計(jì)的卓越之選

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確測(cè)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(jì)，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(kù)侖計(jì)數(shù)器出色的短期精度和線性度，與基于電壓的電量計(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性相結(jié)合，再加上溫度補(bǔ)償功能，提供了業(yè)界領(lǐng)先的電量計(jì)精度。該算法消除了庫(kù)侖計(jì)數(shù)器中的偏移累積誤差，并且與純電壓電量計(jì)相比，具有更好的短期精度。它還避免了庫(kù)侖計(jì)數(shù)器算法中常見的突然校正問題，因?yàn)槲⑿〉倪B續(xù)校正會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)分散進(jìn)行。

這兩款器件能夠自動(dòng)補(bǔ)償電池的老化、溫度和放電率，在廣泛的工作條件下提供準(zhǔn)確的充電狀態(tài)（SOC），以 mAh 或百分比表示，同時(shí)還能提供剩余使用時(shí)間。它們提供了兩種報(bào)告電池老化程度的方法：容量減少和循環(huán)里程計(jì)。此外，器件還能精確測(cè)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(cè)量來支持外部熱敏電阻進(jìn)行測(cè)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(diǎn) 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(jī)、平板電腦、健康和健身監(jiān)視器、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)和運(yùn)動(dòng)相機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、手持計(jì)算機(jī)和終端以及無線揚(yáng)聲器等。這些設(shè)備對(duì)電池電量的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)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(shí)間估計(jì)

• 補(bǔ)償特性：能夠?qū)囟?、電池老化和放電率進(jìn)行補(bǔ)償，確保在各種條件下都能準(zhǔn)確估算電池容量和剩余使用時(shí)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(shí)際使用中更加靈活方便。

3.2 精密測(cè)量系統(tǒng)

• 無需校準(zhǔn)：降低了設(shè)計(jì)和使用成本，提高了開發(fā)效率。

3.3 ModelGauge m3 算法

• 優(yōu)勢(shì)結(jié)合：結(jié)合了高精度庫(kù)侖計(jì)數(shù)器和電壓電量計(jì)（VFG）的優(yōu)勢(shì)，消除了兩者的弱點(diǎn)。在電池使用初期，OCV 狀態(tài)估計(jì)的權(quán)重較大；隨著電池循環(huán)次數(shù)增加，庫(kù)侖計(jì)數(shù)器的結(jié)果逐漸占主導(dǎo)地位。
• 適應(yīng)性強(qiáng)：能夠自適應(yīng)電池特性，通過獨(dú)立的學(xué)習(xí)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(cè)量網(wǎng)絡(luò)

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

3.5 低靜態(tài)電流

• 工作模式：在活動(dòng)模式下電流為 25μA，關(guān)機(jī)模式下電流小于 0.5μA，進(jìn)一步降低了功耗。

3.6 多種報(bào)警指示

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

3.7 AtRate 剩余容量估計(jì)

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

3.8 2 線（I2C）接口

• 通信便捷：方便與其他設(shè)備進(jìn)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(diǎn) WLP 封裝，適合對(duì)空間要求較高的設(shè)備。

四、電氣特性

4.1 絕對(duì)最大額定值

器件對(duì)各引腳的電壓、電流和功率等都有明確的絕對(duì)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(jì)電路時(shí)，必須嚴(yán)格遵守這些限制，以確保器件的安全可靠運(yùn)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(cè)量誤差、分辨率等多項(xiàng)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(cè)量誤差和分辨率會(huì)有所不同。

4.3 2 線接口參數(shù)

對(duì) I2C 接口的時(shí)鐘頻率、總線空閑時(shí)間、保持時(shí)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(jìn)行通信時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。

五、典型工作特性

文檔中給出了多個(gè)典型工作特性的圖表，如關(guān)機(jī)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(dòng)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(jì)時(shí)進(jìn)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(gè)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(cè)量網(wǎng)絡(luò)和電池插拔檢測(cè)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(chǎng)景。在選擇封裝時(shí)，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(jì)

7.1 典型工作電路

器件設(shè)計(jì)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(cè)量電池組的電壓，通過 CSN 和 CSP 引腳之間的外部感測(cè)電阻測(cè)量電流，通過 AIN 引腳監(jiān)控外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)來測(cè)量電池組的溫度。與主機(jī)的通信通過標(biāo)準(zhǔn) I2C 接口進(jìn)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(duì)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?zé)崦綦娮桦娐罚谶@種配置下，每個(gè)設(shè)備可以單獨(dú)或同時(shí)測(cè)量溫度而不會(huì)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(shí)，為了保證測(cè)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(jìn)行 Kelvin 連接，CSN 和 CSP 走線應(yīng)與 RSNS 進(jìn)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(gè)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(chǔ)了電池、應(yīng)用和實(shí)時(shí)測(cè)量的信息，用于計(jì)算準(zhǔn)確的結(jié)果。

8.2 重要寄存器介紹

• SOCMIX 寄存器：保存計(jì)算出的電池當(dāng)前充電狀態(tài)，以百分比形式存儲(chǔ)，分辨率為 0.0039% per LSb。
• RemCapMIX 寄存器：保存計(jì)算出的電池剩余容量，以 μVh 為單位，需要除以應(yīng)用感測(cè)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(fù)載電流突變）導(dǎo)致的報(bào)告值大幅跳動(dòng)。
• 其他寄存器：還包括 TTE 寄存器、Age 寄存器、VFOCV 寄存器等，每個(gè)寄存器都有其特定的功能和用途。

九、充電結(jié)束檢測(cè)

器件通過監(jiān)測(cè) Current 和 AverageCurrent 寄存器，當(dāng)應(yīng)用電流落入 ICHGTerm 寄存器值設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)，檢測(cè)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(fù)載尖峰或早期充電源移除。當(dāng)檢測(cè)到正確的充電結(jié)束事件時(shí)，器件會(huì)根據(jù) RemCapREP 輸出學(xué)習(xí)新的 FullCAP 寄存器值，以確保計(jì)算出的充電狀態(tài)不會(huì)超過 100%。

十、電池插拔檢測(cè)

10.1 檢測(cè)原理

通過監(jiān)控 AIN 引腳電壓與 THRM 引腳電壓的比較來檢測(cè)電池的插拔。當(dāng)電池存在時(shí)，外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置 AIN 引腳的電壓；當(dāng)電池移除時(shí)，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(dāng)檢測(cè)到電池插入時(shí)，電量計(jì)會(huì)重置，所有電量計(jì)輸出會(huì)更新以反映新插入電池的 SOC。這個(gè)過程所需的時(shí)間取決于 FTHRM 位的設(shè)置。同時(shí)，主機(jī)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(huì)影響 IC 的操作，器件會(huì)繼續(xù)更新電量計(jì)輸出。主機(jī)可以通過監(jiān)測(cè)狀態(tài)寄存器的 Br 和 Bst 位來確定電量計(jì)輸出是否有效。此外，還可以配置器件在電池插入或移除時(shí)向主機(jī)發(fā)出警報(bào)。

十一、工作模式

11.1 活動(dòng)模式

在活動(dòng)模式下，器件作為高精度電池監(jiān)視器工作，持續(xù)測(cè)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(cè)量寄存器中。只有在活動(dòng)模式下才能進(jìn)行 READ 和 WRITE 操作。

11.2 關(guān)機(jī)模式

在關(guān)機(jī)模式下，LDO 禁用，所有活動(dòng)停止，但易失性 RAM 內(nèi)容保留，所有 A/D 寄存器和電量計(jì)輸出值也會(huì)保持。進(jìn)入關(guān)機(jī)模式有多種方式，如通過 SHUTDOWN 命令、電池組移除、I2C 關(guān)機(jī)或 ALRT 關(guān)機(jī)等；退出關(guān)機(jī)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(bào)警觸發(fā)條件

ALRT 引腳的開漏輸出驅(qū)動(dòng)器可以根據(jù)多種條件生成中斷信號(hào)，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(bào)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(dāng)超過這些閾值時(shí)會(huì)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(dòng)和關(guān)機(jī)模式之間的轉(zhuǎn)換，并向主機(jī)處理器提供狀態(tài)更新。其中包含了多個(gè)控制位，如 FTHRM、ETHRM、ALSH、I2CSH 等，每個(gè)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(shí)信息、關(guān)機(jī)超時(shí)時(shí)間、狀態(tài)標(biāo)志和版本信息等。

十四、測(cè)量功能

14.1 電壓測(cè)量

包括 VCELL 寄存器和 AverageVCELL 寄存器，分別測(cè)量電池的實(shí)時(shí)電壓和一段時(shí)間內(nèi)的平均電壓。在活動(dòng)模式下，器件會(huì)定期測(cè)量電壓，并將結(jié)果存儲(chǔ)在相應(yīng)的寄存器中。

14.2 電流測(cè)量

Current 寄存器和 AverageCurrent 寄存器用于測(cè)量電流的實(shí)時(shí)值和一段時(shí)間內(nèi)的平均值。可以通過 CGAIN 寄存器和 COFF 寄存器調(diào)整電流測(cè)量的增益和偏移，以滿足不同應(yīng)用的需求。

14.3 溫度測(cè)量

AIN 寄存器測(cè)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(jì)算出溫度。同時(shí)，還可以通過 AverageTemperature 寄存器測(cè)量一段時(shí)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(yùn)行，最多可 128 個(gè)從設(shè)備共享總線。通過 2 線接口（SDA 和 SCL）實(shí)現(xiàn)與主設(shè)備的雙向通信，通信速度可達(dá) 400kHz。

15.2 通信協(xié)議

包括位傳輸、總線空閑、START 和 STOP 條件、確認(rèn)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(jì)憑借其先進(jìn)的 ModelGauge m3 算法、高精度的測(cè)量能力、豐富的功能和靈活的配置選項(xiàng)，為電子設(shè)備的電池管理提供了一個(gè)可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)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(shì)。同時(shí)，對(duì)于電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(gè)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(duì)電池管理系統(tǒng)有什么獨(dú)特的見解，歡迎一起交流探討。