MAX17058/MAX17059：精準(zhǔn)的單/雙節(jié)鋰電池電量計

在手持和便攜式設(shè)備中，鋰電池電量的精確監(jiān)測至關(guān)重要。MAX17058/MAX17059 作為 Maxim Integrated 推出的高性能電量計，為鋰電池電量監(jiān)測提供了出色的解決方案。本文將深入介紹 MAX17058/MAX17059 的特點(diǎn)、性能及應(yīng)用，幫助電子工程師更好地了解和使用這款產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品概述

MAX17058/MAX17059 是用于手持和便攜式設(shè)備中鋰離子（Li+）電池的微型電量計。MAX17058 適用于單節(jié) Li+ 電池，而 MAX17059 則適用于兩節(jié)串聯(lián)的 Li+ 電池。它們采用先進(jìn)的 ModelGauge? 算法，能夠在廣泛變化的充放電條件下連續(xù)跟蹤電池的相對充電狀態(tài)（SOC）。該算法無需電流檢測電阻和電池學(xué)習(xí)周期，并且通過系統(tǒng)微控制器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

二、產(chǎn)品特性與優(yōu)勢

2.1 高精度電壓測量

MAX17058/MAX17059 具備 ±7.5mV/Cell 的高精度電壓測量能力，能夠準(zhǔn)確反映電池的電壓狀態(tài)。

2.2 ModelGauge 算法

• 準(zhǔn)確的充電狀態(tài)監(jiān)測：提供精確的 SOC 數(shù)據(jù)，補(bǔ)償溫度和負(fù)載變化的影響。
• 無誤差累積：與庫侖計數(shù)器不同，該算法不會累積誤差，無需學(xué)習(xí)過程，也無需電流檢測電阻。

2.3 低靜態(tài)電流

僅 23μA 的低靜態(tài)電流，有助于降低系統(tǒng)功耗，延長電池續(xù)航時間。

2.4 電池插入去抖

通過對 16 個樣本的最佳估計，提高初始 SOC 估計的準(zhǔn)確性。

2.5 可編程重置

支持電池更換時的可編程重置，范圍為 2.28V 至 3.48V。

2.6 低 SOC 警報指示

當(dāng)電池 SOC 較低時，可發(fā)出警報信號，提醒用戶及時充電。

2.7 I2C 接口

方便與系統(tǒng)微控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制。

三、電氣特性

3.1 絕對最大額定值

• CELL 至 GND：-0.3V 至 +12V
• 所有引腳（不包括 CELL）至 GND：-0.3V 至 +6V
• 連續(xù)吸收電流，SDA、ALRT：20mA
• 工作溫度范圍：-40°C 至 +85°C
• 存儲溫度范圍：-55°C 至 +125°C

3.2 電氣參數(shù)

在 2.5V < VDD < 4.5V，-20°C < TA < +70°C 的條件下，具有多種電氣參數(shù)，如電源電壓、燃料電量計 SOC 重置、數(shù)據(jù) I/O 引腳電壓等。例如，電源電壓范圍為 2.5V 至 4.5V，睡眠模式下的電源電流低至 0.5μA。

3.3 I2C 接口特性

支持高達(dá) 400kHz 的 SCL 時鐘頻率，具備多種時鐘周期和時間參數(shù)，確保數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定和可靠。

四、典型工作特性

4.1 靜態(tài)電流與電源電壓關(guān)系

在不同的電源電壓和溫度條件下，靜態(tài)電流會有所變化。例如，在 TA = +70°C 時，靜態(tài)電流相對較高。

4.2 電壓 ADC 誤差與溫度關(guān)系

隨著溫度的變化，電壓 ADC 誤差會有所波動。在 -20°C 至 +70°C 的溫度范圍內(nèi)，誤差在 -20mV/cell 至 +20mV/cell 之間。

4.3 SOC 精度

在不同的溫度條件下，ModelGauge 算法能夠保持較高的 SOC 精度，誤差較小。

五、引腳配置與功能

5.1 引腳分布

5.2 引腳功能說明

• CTG：接地引腳，為電路提供參考地。
• CELL：連接電池正極，用于檢測電池電壓。
• VDD：電源輸入引腳，為芯片提供工作電源。
• GND：接地引腳，確保電路的電氣穩(wěn)定性。
• ALRT：警報輸出引腳，當(dāng) SOC 較低時發(fā)出警報信號。
• QSTRT：快速啟動引腳，可重置充電狀態(tài)計算。
• SCL：I2C 時鐘輸入引腳，用于同步數(shù)據(jù)傳輸。
• SDA：I2C 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

六、工作原理與性能分析

6.1 ModelGauge 算法原理

MAX17058/MAX17059 通過模擬鋰離子電池的內(nèi)部非線性動態(tài)來確定其 SOC。該算法考慮了電池的阻抗和化學(xué)反應(yīng)速率，使用自定義模型可以實(shí)現(xiàn)更精確的測量。在電源復(fù)位（POR）時，芯片預(yù)加載了 ROM 模型，適用于部分電池。

6.2 電量計性能比較

與基于庫侖計數(shù)器的電量計相比，ModelGauge 算法具有明顯優(yōu)勢。庫侖計數(shù)器由于電流檢測 ADC 測量的偏移誤差會隨時間累積，導(dǎo)致 SOC 漂移，需要定期校正；而 ModelGauge 算法僅使用穩(wěn)定的電壓信號，無需校正事件，不會隨時間漂移或累積誤差。

6.3 電池電壓與 SOC 關(guān)系

鋰離子電池的開路電壓（OCV）唯一確定其 SOC，但電池電壓 VCELL 受多種因素影響，不能唯一確定 SOC。ModelGauge 算法通過長時間測量電壓，綜合考慮各種因素，提高了 SOC 測量的準(zhǔn)確性。

6.4 溫度補(bǔ)償

為了獲得最佳性能，主機(jī)微控制器需要定期測量電池溫度，并相應(yīng)調(diào)整 RCOMP 參數(shù)。通過公式計算新的 CONFIG.RCOMP 值，以補(bǔ)償溫度對電池性能的影響。

6.5 空電壓選擇的影響

在創(chuàng)建自定義模型時，選擇合適的空電壓非常重要。如圖所示，隨著空電壓的增加，系統(tǒng)可用的電池容量會加速減少。

6.6 電池插入與啟動

電池插入時，電量計通過對 16 個 VCELL 樣本的最大值估計 OCV，17ms 后 OCV 準(zhǔn)備就緒，175ms 后 SOC 準(zhǔn)備就緒。若電池未處于松弛狀態(tài)，初始誤差會隨時間逐漸減小。

6.7 電池更換檢測

當(dāng) VCELL 低于 VRST 然后又高于 VRST 時，芯片會快速啟動，處理電池更換情況，確保新電池的 SOC 不受舊電池影響。

6.8 快速啟動

在某些情況下，如初始 SOC 估計誤差較大時，可使用快速啟動功能。但需謹(jǐn)慎使用，避免在不適當(dāng)?shù)臅r間啟動導(dǎo)致 SOC 誤差。

6.9 電源復(fù)位（POR）

POR 包括快速啟動，會將所有寄存器恢復(fù)到默認(rèn)值。執(zhí)行 POR 后，需要重新加載自定義模型。

6.10 警報中斷

當(dāng) SOC 較低時，芯片會中斷系統(tǒng)微控制器，通過 ALRT 引腳發(fā)出警報信號。用戶可通過配置寄存器來設(shè)置警報閾值。

6.11 睡眠模式

在睡眠模式下，芯片停止所有操作，電流消耗低于 1μA。退出睡眠模式后，芯片繼續(xù)正常工作。但在睡眠模式下，芯片無法檢測電池的自放電情況，可能導(dǎo)致 SOC 誤差，因此在充電或放電前需要喚醒芯片。

七、寄存器配置

7.l 寄存器概述

MAX17058/MAX17059 的所有寄存器必須以 16 位字進(jìn)行讀寫，8 位寫入無效。部分寄存器位為“不關(guān)心”位或只讀位，寫入時會被忽略，讀取時值未定義。

7.2 主要寄存器介紹

• VCELL 寄存器（0x02）：測量 VCELL 電壓，值為四個 ADC 轉(zhuǎn)換的平均值，每 250ms 更新一次。
• SOC 寄存器（0x04）：計算相對 SOC，自動適應(yīng)電池尺寸變化，第一個更新在 POR 后約 1s 可用，后續(xù)更新根據(jù)應(yīng)用條件而定。
• MODE 寄存器（0x06）：用于啟動快速啟動和啟用睡眠模式。
• VERSION 寄存器（0x08）：指示芯片的生產(chǎn)版本。
• CONFIG 寄存器（0x0C）：用于補(bǔ)償模型、控制睡眠模式、設(shè)置警報指示器和配置參數(shù)。
• VRESET 寄存器（0x18）：配置 VCELL 閾值，用于檢測電池去除和重新插入。
• STATUS 寄存器（0x1A）：指示低 SOC 警報和復(fù)位狀態(tài)。
• TABLE 寄存器（0x40 至 0x7F）：用于配置電池參數(shù)，默認(rèn)值適用于部分鋰離子電池，解鎖和鎖定需要特定操作。
• CMD 寄存器（0xFE）：發(fā)送 POR 命令，寫入 0x5400 會使芯片完全復(fù)位。

八、應(yīng)用示例

8.1 單節(jié)電池應(yīng)用

如圖所示，MAX17058 可用于 1S 電池組，通過將 ALRT 引腳連接到微控制器的中斷輸入，實(shí)現(xiàn)低電量警報功能。QSTRT 引腳可根據(jù)需要連接到上升沿復(fù)位信號或接地。

8.2 雙節(jié)電池應(yīng)用

MAX17059 適用于 2S 電池組，可安裝在系統(tǒng)側(cè)，由 3.3V 電源供電，CELL 引腳直接連接到電池組正極。

九、I2C 總線系統(tǒng)

9.1 總線操作模式

MAX17058/MAX17059 作為 I2C 總線的從設(shè)備，支持單從或多從、單主或多主系統(tǒng)。通過唯一設(shè)置 7 位從地址，多個從設(shè)備可以共享總線。

9.2 數(shù)據(jù)傳輸

在每個 SCL 時鐘周期內(nèi)傳輸一位數(shù)據(jù)，SDA 邏輯電平在 SCL 高電平時必須保持穩(wěn)定。數(shù)據(jù)傳輸采用 MSb 優(yōu)先的順序，每個字節(jié)后跟隨一個確認(rèn)位。

9.3 總線狀態(tài)

總線空閑時，SDA 和 SCL 均為高電平。主設(shè)備通過 START 條件啟動事務(wù)，通過 STOP 條件結(jié)束事務(wù)。重復(fù) START 條件可在不返回空閑狀態(tài)的情況下切換事務(wù)。

9.4 確認(rèn)位

數(shù)據(jù)傳輸過程中，主設(shè)備和從設(shè)備都會生成確認(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。

9.5 從地址和讀寫位

主設(shè)備通過發(fā)送從地址和讀寫位來啟動與從設(shè)備的通信。讀寫位決定了后續(xù)數(shù)據(jù)的傳輸方向。

9.6 總線時序

芯片兼容高達(dá) 400kHz 的總線時序，無需特殊配置即可正常工作。

9.7 命令協(xié)議

I2C 命令協(xié)議包括基本的寫和讀事務(wù)格式，以及寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)協(xié)議。每個命令格式中的字節(jié)都需要從設(shè)備或主機(jī)返回確認(rèn)位才能繼續(xù)傳輸。

十、訂購信息與封裝

10.1 訂購信息

MAX17058 和 MAX17059 有多種型號可供選擇，工作溫度范圍均為 -40°C 至 +85°C。

10.2 封裝信息

提供 8 WLP 和 8 TDFN-EP 兩種封裝形式，詳細(xì)的封裝輪廓和焊盤圖案信息可在官方網(wǎng)站查詢。

十一、總結(jié)

MAX17058/MAX17059 電量計憑借其高精度的測量、先進(jìn)的算法和豐富的功能，為鋰離子電池的電量監(jiān)測提供了可靠的解決方案。電子工程師在設(shè)計手持和便攜式設(shè)備時，可以充分利用其特性，提高設(shè)備的性能和用戶體驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求合理配置寄存器和引腳，確保電量計的正常工作。同時，要注意溫度補(bǔ)償、電池插入和啟動等細(xì)節(jié)，以獲得更準(zhǔn)確的 SOC 數(shù)據(jù)。你在使用 MAX17058/MAX17059 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(yàn)和見解。