MAX17048/MAX17049：低功耗單/雙節鋰電池電量計的卓越之選

在當今的電子設備中，電池電量的精確監測至關重要。無論是智能手機、智能手表，還是醫療設備等，都需要可靠的電量計來提供準確的電池剩余電量信息。MAX17048/MAX17049作為Maxim Integrated推出的兩款低功耗鋰電池電量計，在眾多應用場景中展現出了出色的性能。

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一、產品概述

1.1 基本信息

MAX17048/MAX17049是用于手持和便攜式設備中鋰離子（Li+）電池的微型微功耗電流電量計。其中，MAX17048適用于單節鋰電池，而MAX17049則可用于兩節串聯的鋰電池。這兩款芯片采用了先進的ModelGauge?算法，能夠在廣泛變化的充電和放電條件下連續跟蹤電池的相對充電狀態（SOC）。

1.2 主要特點

• 高精度電壓測量：能夠實現±7.5mV/節的精確電壓測量，為準確計算SOC提供了基礎。
• ModelGauge算法優勢：該算法不僅能提供準確的SOC信息，還能補償溫度和負載變化的影響，且不會像傳統庫侖計數器那樣累積誤差，同時無需學習過程和電流檢測電阻。
• 超低靜態電流：在休眠模式下僅需3μA電流，活動模式下為23μA，并且能夠自動進入和退出休眠模式，有效降低功耗。
• 多種功能特性：可報告充電和放電速率，具備電池插入去抖功能，能通過16個樣本的最佳值來估計初始SOC；還支持可編程復位以實現電池更換，擁有可配置的警報指示器，可對低SOC、SOC 1%變化、電池欠壓/過壓以及VRESET警報等情況進行警報。
• 接口與封裝：采用I2C接口進行通信，方便與其他設備連接；提供0.9mm x 1.7mm的8凸點晶圓級封裝（WLP）或2mm x 2mm的8引腳TDFN封裝，適合不同的應用需求。

二、工作原理

2.1 ModelGauge算法原理

ModelGauge算法通過模擬鋰離子電池的內部非線性動態來確定其SOC。該算法考慮了電池的阻抗以及化學反應的緩慢速率，能夠在不同的工作條件下準確計算電池的剩余電量。在開機復位（POR）時，芯片預先加載了一個ROM模型，該模型對于某些電池能夠提供較好的性能。如果需要更精確的模型，可以聯系Maxim獲取定制模型。

2.2 與傳統庫侖計數器的對比

傳統的庫侖計數器基于電流積分來計算SOC，由于電流檢測ADC測量中的偏移誤差會隨著時間累積，導致SOC出現漂移。即使瞬時誤差可能很小，但長期積累下來誤差會逐漸增大，通常每天會漂移0.5% - 2%，需要定期進行校正。而ModelGauge算法僅使用電壓來計算SOC，電壓在一段時間內相對穩定，因此無需進行校正事件，能夠避免誤差的累積，保持較高的準確性。

三、關鍵性能分析

3.1 溫度補償

為了確保最佳性能，主機微控制器需要定期測量電池溫度，并相應地補償ModelGauge參數RCOMP，至少每分鐘進行一次。不同的定制模型定義了不同的常數，如RCOMP0（默認值為0x97）、TempCoUp（默認值為 -0.5）和TempCoDown（默認值為 -5.0）。根據電池溫度的不同，可以使用以下公式計算新的CONFIG.RCOMP值： 當 (T > 20) 時，(RCOMP = RCOMP0 + (T - 20) times TempCoUp)； 當 (T leq 20) 時，(RCOMP = RCOMP0 + (T - 20) times TempCoDown)。

3.2 空電壓選擇的影響

大多數應用都有一個最低工作電壓，低于該電壓系統將立即關機，這個電壓稱為空電壓。在為電池創建定制模型時，需要謹慎選擇空電壓。隨著空電壓的升高，系統無法使用的電池容量會以加速的速率增加，因此需要根據實際應用需求進行合理選擇。

3.3 電池插入與初始SOC估算

當電池首次插入系統時，電量計芯片沒有關于電池SOC的先前信息。假設電池處于松弛狀態，芯片會將第一次測量的VCELL轉換為最佳的初始SOC估計值。由于電池未處于松弛狀態而導致的初始誤差會隨著時間逐漸減小，無論后續的負載情況如何。與庫侖計數器不同，ModelGauge的SOC估計值會收斂，能夠自動校正誤差。在電池插入時，芯片會對初始電壓測量進行去抖處理，通過取16個VCELL樣本（每個樣本1ms，全12位分辨率）的最大值來估計開路電壓（OCV），OCV在電池插入后17ms準備好，SOC在其后175ms準備好。

3.4 電池更換檢測與快速啟動

如果VCELL低于VRST，當VCELL再次高于VRST時，芯片會進行快速啟動，以處理電池更換的情況，確保新電池的SOC不受前一個電池的影響。但快速啟動需要謹慎使用，因為除非VCELL完全松弛，否則即使采樣到的最佳電壓也可能大于或小于OCV。大多數系統不需要使用快速啟動，因為芯片能夠自動處理大多數啟動問題，如電池插入時的間歇性連接問題。如果電池電壓在17ms內穩定，則無需使用快速啟動。

四、低功耗模式

4.1 休眠模式

芯片具有低功耗休眠模式，當電池的充電/放電速率較低時，仍能準確測量電量。默認情況下，設備會根據充電/放電速率自動進入和退出休眠模式，在不影響電量計精度的前提下，將靜態電流降至5μA以下。在休眠模式下，設備會將ADC轉換周期和SOC更新周期延長至每45s一次。對于最大負載小于C/4速率的應用，可以強制芯片進入休眠模式以降低功耗；對于負載較高的應用，建議使用默認的自動控制休眠模式。

4.2 睡眠模式

在睡眠模式下，芯片會停止所有操作，將電流消耗降至1μA以下。退出睡眠模式后，芯片將繼續正常運行。但在睡眠模式下，芯片無法檢測電池的自放電情況，如果電池在芯片睡眠時狀態發生變化，可能會導致SOC誤差。因此，在充電或放電前需要喚醒芯片。進入睡眠模式可以通過以下兩種方式：一是將SDA和SCL保持低電平tSLEEP時間，SDA或SCL的上升沿可喚醒芯片；二是將CONFIG.SLEEP設置為1，將其設置為0可喚醒芯片。對于能夠容忍4μA電流的應用，建議使用休眠模式而非睡眠模式。

五、寄存器配置

5.1 寄存器讀寫規則

所有寄存器必須以16位字的形式進行讀寫，8位寫入操作無效。對于標記為X（無關位）或只讀的位，需要與寄存器的其他部分一起寫入，但芯片會忽略寫入的值。從無關位讀取的值是未定義的。寄存器的值可以通過將16位字乘以寄存器的LSb值來計算。

5.2 主要寄存器功能

• VCELL寄存器（0x02）：用于測量電池電壓，MAX17048測量VDD和GND引腳之間的電壓，MAX17049測量CELL和GND引腳之間的電壓。VCELL是四次ADC轉換的平均值，在活動模式下每250ms更新一次，在休眠模式下每45s更新一次。
• SOC寄存器（0x04）：芯片使用ModelGauge算法計算SOC，該寄存器能夠自動適應電池尺寸的變化。寄存器的上字節最低有效位表示1%的SOC，下字節提供更高的分辨率。首次更新在芯片上電復位后約1s可用，后續更新根據應用條件以可變間隔進行。
• MODE寄存器（0x06）：用于啟動快速啟動、報告休眠模式狀態以及啟用睡眠模式。其中，EnSleep位用于啟用睡眠模式，HibStat位為只讀位，用于指示芯片是否處于休眠模式，Quick-Start位可根據即時電池電壓生成OCV和SOC的初始估計值，但使用時需謹慎。
• HIBRT寄存器（0x0A）：用于控制進入和退出休眠模式的閾值。ALSC位用于啟用SOC變化警報，當SOC變化至少1%時觸發警報；ActThr位為活動閾值，如果任何ADC采樣的|OCVCELL|大于該閾值，芯片將退出休眠模式；ALRT位為警報狀態位，當警報發生時由芯片設置，設置后ALRT引腳將拉低；HibThr位為休眠閾值，如果CRATE的絕對值小于該閾值且持續時間超過6分鐘，芯片將進入休眠模式。
• CONFIG寄存器（0x0C）：用于優化性能的補償、睡眠模式設置、警報指示器配置等。ATHD位設置空警報閾值，可在1% - 32%之間編程；RCOMP位是一個8位值，可根據不同的鋰化學性質或工作溫度進行調整；SLEEP位用于強制芯片進入或退出睡眠模式。

六、I2C總線系統與通信協議

6.1 I2C總線工作原理

MAX17048/MAX17049支持作為從設備在單主/多主、單從/多從系統中運行。從設備可以通過唯一設置7位從地址來共享總線。I2C接口由串行數據線（SDA）和串行時鐘線（SCL）組成，提供了芯片從設備與主設備之間的雙向通信，最高通信速度可達400kHz。芯片的SDA引腳為雙向操作，接收數據時作為輸入，返回數據時作為開漏輸出，需要主機系統提供上拉電阻。芯片始終作為從設備，在主設備的控制下接收和發送數據，主設備負責發起總線上的所有事務，并生成SCL信號以及START和STOP位。

6.2 數據傳輸規則

• 位傳輸：在每個SCL時鐘周期內傳輸一位數據，SCL從低到高再到低的轉換定義一個時鐘周期。在SCL時鐘脈沖的高電平期間，SDA邏輯電平必須保持穩定，SCL為高時SDA的任何變化都將被解釋為START或STOP控制信號。
• 總線空閑狀態：當沒有主設備控制總線時，總線處于空閑狀態，此時SDA和SCL都保持高電平。使用STOP條件可以使總線返回空閑狀態。
• START和STOP條件：主設備通過在SCL為高時將SDA從高到低轉換來發起START條件（S），開始一個事務；通過在SCL為高時將SDA從低到高轉換來發起STOP條件（P），結束一個事務。重復START條件（Sr）可以在不使總線返回空閑狀態的情況下結束一個事務并開始另一個事務，在多主系統中，重復START允許主設備保留對總線的控制權。
• 確認位：每個數據字節的傳輸都伴隨著一個確認位（A）或無確認位（N）。主設備和從設備都會生成確認位，接收設備在確認相關時鐘脈沖（第九個脈沖）的上升沿之前將SDA拉低并保持到SCL返回低電平表示確認，釋放SDA并保持高電平表示無確認。通過監測確認位可以檢測數據傳輸是否成功，如果傳輸失敗，主設備應重新嘗試通信。
• 數據順序：一個字節的數據由8位組成，最高有效位（MSb）在前，每個字節的最低有效位（LSb）后面跟著確認位。多字節寄存器按MSB優先順序排列，多字節寄存器的MSB存儲在偶數據內存地址中。

6.3 通信協議

• 從地址：主設備通過發送START條件、從地址（SAddr）和讀寫（R/W）位來發起與從設備的通信。芯片的7位從地址固定為0x6C（寫）/0x6D（讀），當芯片接收到匹配的從地址時，會在R/W位后的時鐘周期內發送確認位。
• 讀寫位：R/W位決定了后續數據字節的傳輸方向，R/W = 0表示寫事務，主設備將數據寫入從設備；R/W = 1表示讀事務，主設備從從設備讀取數據。
• 總線時序：芯片與最高400kHz的任何總線時序兼容，無需特殊配置。
• 命令協議：I2C命令協議包括多種事務格式，如寫事務和讀事務。寫事務將2個或更多數據字節傳輸到芯片，從MAddr字節指定的內存地址開始；讀事務由寫部分和讀部分組成，寫部分指定讀操作的起始點，讀部分從重復START開始，將2個或更多字節從芯片讀出。在每個命令格式中，每個字節都需要從設備或主機返回確認位后才能繼續傳輸下一個字節。

七、應用案例

7.1 單節電池應用

在單節電池應用中，如智能手機、智能手表等，可以使用MAX17048。以一個1S電池組應用為例，將ALRT引腳連接到微控制器的中斷輸入，當電池電量低時，MAX17048可以向微控制器發送信號。QSTRT引腳未使用時應連接到GND。

7.2 雙節電池應用

對于雙節電池應用，如平板電腦、無線揚聲器等，可以選擇MAX17049。在一個2S電池組應用中，MAX17049安裝在系統側，由系統生成的3.3V電源供電，CELL引腳直接連接到電池組的正極。

MAX17048/MAX17049以其高精度的電量測量、低功耗特性以及豐富的功能，為鋰電池電量監測提供了一種可靠的解決方案。電子工程師在設計相關產品時，可以根據具體的應用需求選擇合適的芯片，并合理配置寄存器和通信協議，以實現最佳的性能。在實際應用中，你是否遇到過類似電量計芯片的使用問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗。