DS2784：單節電池電量計的卓越之選

在電池管理領域，準確測量電池電量、保障電池安全以及實現可靠的認證功能至關重要。Maxim Integrated的DS2784單節電池電量計，集成了FuelPack、保護器和SHA - 1認證功能，為眾多應用提供了全面而高效的解決方案。

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一、產品概述

DS2784工作電壓范圍為2.5V至4.6V，適用于采用單節鋰離子（Li+）或Li+聚合物電池的電池組。它能夠以mAh和百分比的形式報告可用電量，同時具備Li+保護功能和基于SHA - 1的挑戰 - 響應認證，確保電池的安全運行。通過對電壓、溫度和電流的精確測量，結合電池特性和應用參數，DS2784可以準確估算電池容量。此外，它還提供了16字節的EEPROM內存，供主機系統和/或電池組制造商專用，方便進行電池批次和日期跟蹤，或存儲系統或電池使用統計信息。

應用領域廣泛

DS2784的應用場景十分豐富，涵蓋了健康與健身監測器、數碼靜態相機、視頻和運動相機、醫療設備、手持計算機和終端、手持無線電、家庭和建筑自動化傳感器、智能電池以及電動工具等領域。

突出特性

• 高精度測量系統：具備精確的電壓、溫度和電流測量功能，能夠實時準確地獲取電池狀態信息。
• 容量估算精準：根據庫侖計數、放電速率、溫度和電池特性等因素估算可用容量，同時支持通過學習循環估算電池老化情況。
• 低成本設計：使用低成本的檢測電阻，并且允許對增益和溫度系數進行校準。
• 安全保護完善：擁有Li+安全電路，可實現過壓、欠壓、過流和短路保護，同時具備可編程的過壓和過流安全閾值。
• 認證可靠：采用SHA - 1算法和64位密鑰進行認證，保障電池的安全性。
• 豐富的內存資源：配備32字節的參數EEPROM和16字節的用戶EEPROM。
• 接口便捷：采用Maxim 1 - Wire接口，具有64位唯一ID，支持16kbps或143kbps的串行通信。
• 封裝小巧：采用微小的無鉛14引腳TDFN封裝，易于嵌入使用薄型方形電池的電池組中。

二、電氣特性

絕對最大額定值

DS2784在不同引腳的電壓范圍、電流和溫度等方面都有明確的絕對最大額定值限制。例如，PLS引腳相對于VSS的電壓范圍為 - 0.3V至 + 18V，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，存儲溫度范圍為 - 55°C至 + 125°C等。這些額定值為工程師在設計電路時提供了重要的參考，確保設備在安全的范圍內運行。

電氣參數

在電氣特性方面，DS2784表現出色。其供電電壓范圍為2.5V至4.6V，睡眠模式下的供電電流低至1μA（典型值），而在SHA計算期間的活動模式下，供電電流最高可達500μA。溫度測量精度為±3°C，分辨率為0.125°C；電壓測量范圍為0至4.6V，分辨率為4.88mV；電流測量分辨率為1.56μV，滿量程為±51.2mV，增益誤差控制在±1%以內。這些精確的參數保證了DS2784能夠準確地監測電池的各項狀態。

保護電路特性

保護電路是DS2784的重要組成部分，它能夠實時監測電池的電壓和電流，防止電池出現過壓、欠壓、過流和短路等危險情況。過壓檢測閾值可在4.252V至4.507V之間進行編程，欠壓檢測閾值為2.45V（典型值），過流檢測和短路檢測也都有相應的閾值和延遲時間。例如，過流檢測延遲時間為8至12ms，短路檢測延遲時間為80至160μs。這些保護機制確保了電池的安全可靠運行。

EEPROM可靠性

EEPROM的可靠性對于數據存儲至關重要。DS2784的EEPROM復制時間為10ms，在TA = + 50°C的條件下，復制耐久性可達50,000個周期，保證了數據的長期穩定存儲。

1 - Wire接口特性

1 - Wire接口是DS2784與外部設備進行通信的重要方式。它在標準模式和超速模式下都有明確的時序參數。例如，標準模式下的時間槽為60至120μs，恢復時間為1μs；超速模式下的時間槽為6至16μs，恢復時間同樣為1μs。這些時序參數確保了通信的準確性和穩定性。

三、引腳配置與功能

DS2784采用14引腳TDFN封裝，各引腳具有明確的功能。VDD為電源輸入引腳，需通過0.1μF電容旁路至VSS；VIN為電池電壓檢測輸入引腳，通過去耦網絡連接到電池正極；DQ為數據輸入/輸出引腳，支持串行數據通信，還可用于檢測電池斷開和喚醒設備；CC和DC分別為充電和放電控制引腳，用于控制外部FET的開關；CP為充電泵輸出引腳，同樣需要通過0.1μF電容旁路至VSS。這些引腳的合理配置使得DS2784能夠與外部電路進行有效的連接和協作。

四、詳細功能解析

電量計功能

DS2784作為一款高精度的電量計，通過對電池電壓、溫度和電流的實時監測，結合電池的特性模型和應用參數，能夠準確估算電池的剩余容量。它采用分段線性模型來描述電池在不同負載和溫度下的性能，通過查找表的方式獲取電池的滿電和空電狀態信息。同時，它還支持通過學習循環來更新電池的老化數據，提高容量估算的準確性。在電池電量發生變化時，DS2784會及時更新容量估算寄存器的值，為用戶提供準確的電量信息。

Li+保護功能

Li+保護功能是DS2784的核心功能之一，它能夠實時監測電池的電壓和電流，防止電池出現過充、過放、過流和短路等情況。當檢測到異常情況時，保護電路會迅速采取措施，關閉相應的FET，以保護電池和設備的安全。例如，當電池電壓超過過壓閾值時，CC引腳會被拉低，關閉外部充電FET；當電池電壓低于欠壓閾值時，CC和DC引腳都會被拉低，關閉充電和放電FET，并進入睡眠模式。此外，保護電路的閾值和延遲時間都可以進行編程，以滿足不同電池和應用的需求。

SHA - 1認證功能

SHA - 1認證功能為DS2784提供了高級別的安全保障。它采用FIPS - 180兼容的SHA - 1單向哈希算法，對包含64位密鑰、64位挑戰和384位常量數據的消息塊進行哈希運算，生成消息認證碼（MAC）。主機和DS2784都會根據共同的密鑰計算MAC，通過比較兩者的MAC值來驗證電池的身份。這種認證方式確保了電池與設備之間的通信安全，防止非法電池的使用。同時，DS2784還支持多種認證命令，如寫入挑戰、計算MAC等，方便用戶進行認證操作。

五、電源模式與控制

DS2784具有兩種電源模式：活動模式和睡眠模式。上電時，設備默認進入活動模式，此時設備的測量和容量估算功能正常運行，保護電路實時監測電池狀態，SHA - 1認證功能也可用。在活動模式下，當進行SHA - 1計算時，供電電流會增加到IDD3，持續時間為tSHA。睡眠模式下，設備會關閉測量和容量估算功能，以節省功耗，但會保留寄存器內容。保護FET的柵極驅動會被禁用，SHA - 1認證功能也停止工作。

設備進入睡眠模式有兩種情況：總線低電平和欠壓。通過控制寄存器中的使能位，可以選擇是否允許設備在這兩種情況下進入睡眠模式。當充電器連接（VPLS > VDD + 50mV）或檢測到充電電流時，設備不會進入睡眠模式。設備可以通過充電器連接、VIN ≥ VUV或DQ引腳的低到高電平轉換退出睡眠模式。

此外，DS2784還具備“電源開關”功能，當主機系統斷電時，可以通過PIO引腳或DQ引腳的簡單干觸點開關喚醒設備并啟用保護FET。通過控制寄存器中的PSPIO和PSDQ配置位，可以啟用該功能。當滿足睡眠條件且PSPIO或PSDQ置位時，PIO和DQ引腳會微弱上拉，然后等待檢測到低電平轉換信號。100ms的去抖時間可以過濾掉電池插入系統時可能產生的干擾信號。

六、寄存器配置

DS2784擁有多個寄存器，用于控制設備的各種功能和存儲相關數據。

控制寄存器

控制寄存器（地址60h）的所有位都可以進行讀寫操作，上電時會從參數EEPROM中恢復寄存器的值。寄存器中的各個位具有不同的功能，例如：

• NBEN：負消隱使能位，用于控制是否對負電流值進行消隱處理。
• UVEN：欠壓使能位，允許設備在電壓低于VUV且DQ引腳穩定時進入睡眠模式。
• PMOD：電源模式使能位，允許設備在DQ引腳低電平持續tSLEEP時間時進入睡眠模式。
• RNAOP：讀取網絡地址操作碼選擇位，用于選擇讀取網絡地址命令的操作碼。
• PSPIO和PSDQ：分別為PIO引腳和DQ引腳的電源開關使能位，用于啟用相應引腳的電源開關功能。

保護寄存器

保護寄存器（地址00h）用于報告Li+安全電路檢測到的事件。其中，2至7位由內部硬件設置，用于指示過壓、欠壓、過流等保護事件；0和1位用于禁用充電和放電FET的柵極驅動。這些位在電源上電和從睡眠模式切換到活動模式時會被設置，在活動模式下可以通過清除這些位來禁用相應的FET。

閾值寄存器

閾值寄存器（地址7Fh）是一個8位寄存器，用于設置保護電路的過壓、充電過流、放電過流和短路閾值。通過對這些位的編程，可以根據不同的電池和應用需求調整保護閾值。

其他寄存器

除了上述寄存器外，DS2784還包括電壓寄存器、溫度寄存器、電流寄存器、平均電流寄存器、累積電流寄存器等，用于存儲電池的各種測量數據和狀態信息。這些寄存器的合理配置和使用，為工程師實現電池的精確管理提供了有力支持。

七、測量功能

電壓測量

DS2784每440ms對VIN引腳相對于VSS的電池電壓進行一次測量，測量范圍為0至4.6V，分辨率為4.88mV。測量值以二進制補碼形式存儲在電壓寄存器中，并每440ms更新一次。當電壓超過寄存器的最大值或最小值時，會以最大值或最小值進行報告。

溫度測量

溫度測量采用集成溫度傳感器，分辨率為0.125°C，每440ms更新一次溫度寄存器的值。溫度和電池電壓測量使用同一個ADC，因此測量值是220ms的平均值，每440ms更新一次。

電流測量

電流測量通過測量低阻值電流檢測電阻RSNS兩端的電壓降來實現，測量范圍為±51.2mV。ADC以18.6kHz的采樣率對輸入進行差分采樣，每個轉換周期（3.52s）完成后更新電流寄存器的值。充電電流超過寄存器最大值時報告為7FFFh，放電電流低于寄存器最小值時報告為8000h。平均電流寄存器會報告前28s的平均電流值，每28s更新一次。

電流校正

為了提高測量精度，DS2784會進行電流偏移校正和增益調整。每1024次轉換時，ADC會測量其輸入偏移，以進行偏移校正，校正因子會應用于后續的1023次測量。同時，通過RSGAIN寄存器可以調整電流測量增益，該寄存器在工廠進行校準，用戶也可以在模塊或電池組制造后重新編程，以校正外部檢測電阻的標稱值變化。此外，還可以通過設置RSTC寄存器對檢測電阻進行溫度補償，以提高在高溫環境下的測量準確性。

八、容量估算算法

模型構建

為了準確估算電池的剩余容量，DS2784采用了FuelPack方法，結合電池在不同溫度、負載電流和充電終止點的性能特性，構建了電池模型。該模型包括三條曲線：滿電曲線、活動空電曲線和待機空電曲線，每條曲線由5條線段組成。通過查找表的方式，根據當前溫度和電池狀態，從模型中獲取相應的容量信息。模型中的參數存儲在電池參數EEPROM塊中，包括各曲線的斜率、斷點溫度等。

容量估算操作

在容量估算過程中，DS2784會根據實時測量的電壓、溫度和電流值，結合存儲的電池特性參數和應用操作限制，計算電池的剩余容量。具體操作包括老化估算、學習功能和ACR管理等。

• 老化估算：通過AS寄存器的值，根據累積放電情況對電池容量進行調整。當ACR寄存器在每次放電周期中遞減時，內部計數器會遞增，當計數器等于32倍的AC時，AS寄存器會遞減1，從而使電池的滿電容量按比例減小。通過調整AC寄存器的值，可以自定義老化估算速率。
• 學習功能：由于鋰離子電池的充電效率接近100%，從已知的空電點到滿電點的充電過程可以可靠地測量電池容量。當檢測到活動空電點時，學習標志（LEARNF）會被設置，隨后開始充電，直到電池充滿。此時，LEARNF會被清除，充電到滿電（CHGTF）標志會被設置，并且會根據學習到的電池容量調整年齡標量（AS）。
• ACR管理：ACR（累積電流寄存器）的值會定期調整，以確保電量計數在模型曲線的邊界內。當電池充滿時，ACR會被設置為當前溫度下的年齡縮放滿電查找值。當檢測到空電條件時，ACR的調整會根據具體情況進行判斷。

滿電和空電檢測

滿電檢測通過監測電池電壓和平均電流來實現。當電壓讀數連續高于充電電壓（VCHG）閾值，且兩個連續的平均電流讀數低于終止電流（IMIN），并且平均電流為正且非零（> 16 LSB）時，會檢測到電池充滿，并設置CHGTF標志。

活動空電點檢測通過監測電壓寄存器和電流讀數來實現。當電壓寄存器的值低于VAE閾值，且前兩個電流讀數為負且大于IAE時，會檢測到活動空電點，并設置LEARNF標志。

狀態寄存器

狀態寄存器（地址01h）包含多個位，用于報告設備的狀態。其中，CHGTF、AEF、SEF和LEARNF位為只讀位，分別表示充電終止、活動空電、待機空電和學習標志；UVF和PORF位可以通過寫入零來清除，分別表示欠壓和上電復位標志。這些標志位為用戶提供了電池狀態的重要信息，方便進行電池管理和控制。

結果寄存器

DS2784每3.5s處理一次測量數據和電池特性數據，并產生七個結果寄存器，包括FULL(T)、AE(T)、SE(T)、RAAC、RSAC、RARC和RSRC。這些寄存器提供了電池在當前溫度下的滿電容量、活動空電容量、待機空電容量、剩余活動絕對容量、剩余待機絕對容量、剩余活動相對容量和剩余待機相對容量等信息，用戶可以直接使用這些信息進行顯示或進一步的系統處理。

九、認證功能

認證原理

DS2784采用FIPS - 180兼容的SHA - 1單向哈希算法進行認證。認證過程基于一個512位的消息塊，包括64位密鑰、64位挑戰和384位常量數據。主機和DS2784都會根據共同的密鑰計算消息認證碼（MAC），通過比較兩者的MAC值來驗證電池的身份。密鑰不會在總線上傳輸，因此可以有效防止密鑰被竊取。

認證命令

DS2784提供了多種認證命令，包括寫入挑戰（Write Challenge）、計算MAC（Compute MAC）和計算下一個密鑰（Compute Next Secret）等。寫入挑戰命令用于向DS2784寫入64位挑戰，計算MAC命令用于計算消息塊的哈希值并返回160位的MAC，計算下一個密鑰命令用于生成新的密鑰。這些命令的使用需要遵循特定的時序和操作流程，以確保認證的準確性和可靠性。

密鑰管理

為了確保密鑰的安全性，DS2784還提供了密鑰管理功能，包括清除密鑰（Clear Secret）和鎖定密鑰（Lock Secret）。清除密鑰命令將64位密鑰設置為全0，鎖定密鑰命令將密鑰寫入保護，防止意外或惡意覆蓋密鑰值。

十、1 - Wire總線系統

系統概述

1 - Wire總線是一種單主多從的通信系統，DS2784作為從設備與主機進行通信。該系統包括64位網絡地址、CRC生成、硬件配置、事務序列和1 - Wire信號等方面。

64位網絡地址

每個DS2784都有一個唯一的、工廠編程的64位1 - Wire網絡地址，包括8位家族碼、48位序列號和8位CRC。該地址用于設備的識別和通信