深度剖析DS2740高精度庫侖計數器

在電子設備的設計中，準確監測電池容量至關重要。DS2740作為一款高精度庫侖計數器，為成本敏感型應用提供了可靠的電池容量監測解決方案。下面，我們就來詳細了解一下DS2740的各項特性和功能。

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一、DS2740的主要特性

1. 高精度電流測量

DS2740有兩種型號，DS2740U提供15位雙向電流測量，DS2740BU提供13位雙向電流測量。不同型號搭配不同阻值的外部感測電阻（(R_{SNS})），可以實現不同的電流分辨率和動態范圍。

• DS2740U：LSB為1.56μV，動態范圍±51.2mV；搭配20mΩ的(R{SNS})時，LSB為78μA，動態范圍±2.56A；搭配10mΩ的(R{SNS})時，LSB為156μA，動態范圍±5.12A。
• DS2740BU：LSB為6.25μV，動態范圍±51.2mV；搭配20mΩ的(R{SNS})時，LSB為312μA，動態范圍±2.56A；搭配10mΩ的(R{SNS})時，LSB為625μA，動態范圍±5.12A。

2. 模擬輸入濾波

通過在IS1和IS2引腳之間添加電容，可以對電壓信號進行濾波，擴展脈沖負載應用的動態范圍。外部電容和兩個內部電阻在ADC輸入處形成低通濾波器，允許輸入轉換高達102mV的峰值信號幅度，只要連續或平均信號電平（濾波后）在轉換周期內不超過±51.2mV。

3. 電流累積寄存器

DS2740U和DS2740BU的電流累積寄存器分辨率均為6.25μVhr。搭配20mΩ的(R{SNS})時為0.3125mAhr，搭配10mΩ的(R{SNS})時為0.6250mAhr。

4. 1-Wire接口

采用Dallas 1-Wire?接口，每個設備都有唯一的64位設備地址，支持標準和過驅動時序（OVD）。

5. 低功耗

• 活動電流最大為65μA。
• 睡眠電流最大為1μA。

二、引腳配置與描述

1. 引腳配置

2. 引腳描述

• OVD：1-Wire總線速度選擇，邏輯1選擇過驅動（OVD），邏輯0選擇標準時序（STD）。
• PIO：可編程I/O引腳，可通過內部寄存器編程為輸入或輸出。
• SNS：感測電阻輸入。
• IS2：電流感測輸入，通過10kΩ電阻連接到SNS，可通過外部電容對電流波形進行濾波。
• IS1：電流感測輸入，通過10kΩ電阻連接到VSS，可通過外部電容對電流波形進行濾波。
• VSS：設備接地，電流感測電阻返回，直接連接到電池單元的負極。
• DQ：數據輸入/輸出，雙向操作，帶有開漏輸出驅動器。
• VDD：電源輸入，連接到系統電壓源或電池單元的正極，電壓范圍為2.7V至5.5V。

三、電源模式

DS2740有活動和睡眠兩種電源模式。

1. 活動模式

DS2740作為高精度庫侖計數器運行，電流和累積電流測量模塊持續工作，測量結果更新到測量寄存器中。可以對所有寄存器進行讀寫操作，PIO引腳處于活動狀態。

2. 睡眠模式

DS2740處于低功耗模式，無電流測量活動。當(V_{DD}>2V)時，允許對電流、累積電流和狀態/控制寄存器進行串行訪問。

3. 模式轉換

• 從睡眠模式轉換到活動模式的條件：(DQ>V{IH})且(V{DD}>UV)閾值，或者(V_{DD})從低于UV閾值上升到高于UV閾值。
• 從活動模式轉換到睡眠模式的條件：(V{DD})下降到UV閾值，或者(SMOD = 1)且(DQ < V{IL})持續2s。

四、電流測量

在活動模式下，DS2740通過測量低阻值電流感測電阻(R_{SNS})上的電壓降，持續測量電池的流入和流出電流。為了擴展脈沖型負載電流的輸入范圍，可以在IS1和IS2引腳之間添加電容進行濾波。ADC以18.6kHz的采樣時鐘對IS1和IS2的輸入進行差分采樣，并在每個轉換周期完成后更新電流寄存器。 不同分辨率的轉換時間不同：

• DS2740U：轉換周期為3.5s，單位為1.5625μV/ (R_{SNS}) ，15位+符號分辨率。
• DS2740BU：轉換周期為0.875s，單位為6.250μV/ (R_{SNS}) ，13位+符號分辨率。

每1024次轉換，ADC會測量其輸入偏移以進行偏移校正。DS2740U大約每小時進行一次偏移校正，DS2740BU每小時進行四次。校正因子應用于隨后的1023次測量。為了減少誤差，在偏移轉換之前的電流測量值會顯示在電流寄存器中，并在電流累積過程中替代缺失的電流測量值。

五、電流累積器

電流測量值在每個轉換周期結束時進行內部求和并累積，結果顯示在電流累積寄存器（ACR）中。ACR的精度取決于電流測量和轉換時基。ACR的范圍為±204.8mVh，LSb為6.25μVh。對ACR進行讀寫操作時，分數累積結果會被清除，同時會強制ADC測量其偏移并更新偏移校正因子。電流測量和累積從對ACR寫入后的第二次轉換開始。

六、存儲器

DS2740具有用于儀表、狀態和控制的寄存器存儲空間。讀取兩字節寄存器的MSB時，MSB和LSB會被鎖存，以確保在讀取過程中不會更新，并保證兩個寄存器字節之間的同步。強烈建議在同一讀取數據命令序列中同時讀取兩字節寄存器的MSB和LSB，以獲得一致的結果。

1. 狀態寄存器

• SMOD：睡眠模式使能，1允許DS2740在DQ低電平持續2s時進入睡眠模式，0禁用與DQ相關的睡眠模式轉換，上電默認值為0。
• RNAOP：讀取網絡地址操作碼，0設置讀取網絡地址命令的操作碼為33h，1設置為39h，上電默認值為0。
• X：保留位。

2. 特殊功能寄存器

• PIO：PIO引腳感應和控制，可讀寫。寫入0使能PIO開漏輸出驅動器，將PIO引腳拉低；寫入1禁用輸出驅動器，允許PIO引腳被拉高或用作輸入。讀取時返回PIO引腳的邏輯電平。初始上電、進入睡眠模式或(DQ低電平>t_{SLEEP})（與SMOD引腳無關）時，PIO復位為1。
• X：保留位。

七、1-Wire總線系統

1. 64位網絡地址

每個DS2740都有一個唯一的、工廠編程的64位1-Wire網絡地址。前8位是1-Wire家族代碼（DS2740為36h），接下來48位是唯一的序列號，最后8位是前56位的循環冗余校驗（CRC）。

2. CRC生成

DS2740的1-Wire網絡地址的最高有效字節中存儲著一個8位CRC。主機系統可以從地址的前56位計算CRC值，并與DS2740的CRC進行比較，以確保地址的無差錯傳輸。正確使用CRC可以使通信通道具有很高的完整性。

3. 硬件配置

• 1-Wire總線只有一條線，總線上的每個設備必須使用開漏或三態輸出驅動器來驅動總線。DS2740使用開漏輸出驅動器作為雙向接口電路的一部分。
• 1-Wire總線在總線主端必須有一個上拉電阻，對于短線路，電阻值約為5kΩ。總線的空閑狀態為高電平。如果總線事務需要暫停，總線必須保持在空閑狀態，以便后續正確恢復事務。
• DS2740可以在標準和過驅動兩種通信速度模式下運行，速度模式由OVD引腳的輸入邏輯電平決定，邏輯0選擇標準速度，邏輯1選擇過驅動速度。在發起復位脈沖啟動事務之前，OVD引腳必須保持穩定的邏輯0或1電平。多節點總線上的所有1-Wire設備必須以相同的通信速度運行。

4. 事務序列

通過1-Wire端口訪問DS2740的協議如下：初始化 -> 網絡地址命令 -> 功能命令 -> 事務/數據。

• 初始化：所有1-Wire總線事務都從初始化序列開始，總線主發送復位脈沖，隨后DS2740和其他從設備同時發送存在脈沖，告知總線主總線上有一個或多個設備準備好操作。
• 網絡地址命令
  • Read Net Address [33h或39h]：允許總線主讀取DS2740的1-Wire網絡地址，僅適用于總線上只有一個從設備的情況。
  • Match Net Address [55h]：允許總線主指定總線上的一個DS2740，只有被尋址的設備會響應后續的功能命令。
  • Skip Net Address [CCh]：當總線上只有一個DS2740時，可節省時間，允許總線主直接發出功能命令而無需指定從設備地址。
  • Search Net Address [F0h]：允許總線主通過排除法識別總線上所有從設備的1-Wire網絡地址。
  • Resume [A5h]：在多節點環境中，當需要多次訪問DS2740時，可提高數據吞吐量。
• 功能命令
  • Read Data [69h, XX]：從內存地址XX開始讀取數據，地址自動遞增，可讀取最多256字節的數據，可在任何位邊界通過復位脈沖終止。
  • Write Data [6Ch, XX]：從內存地址XX開始寫入數據，地址自動遞增，可寫入最多256字節的數據，對只讀地址和保留地址的寫入將被忽略，不完整的字節不會被寫入。

5. 1-Wire信號

1-Wire總線需要嚴格的信號協議來確保數據完整性，DS2740使用的四種協議為：初始化序列（復位脈沖后接存在脈沖）、寫0、寫1和讀取數據。除存在脈沖外，所有信號類型均由總線主發起。

• 初始化序列：總線主發送復位脈沖(t{RSTL})，然后釋放總線進入接收模式，1-Wire總線被上拉電阻拉高。DS2740檢測到DQ引腳的上升沿后，等待(t{PDH})，然后發送存在脈沖(t_{PDL})。
• 寫時隙：分為寫1和寫0，總線主將1-Wire總線從高電平拉低啟動寫時隙，所有寫時隙持續時間為(t{SLOT})，周期之間的最小恢復時間為(t{REC})。DS2740在總線下降后15μs至60μs（過驅動速度為2μs至6μs）之間采樣總線。
• 讀時隙：總線主將1-Wire總線從高電平拉低啟動讀時隙，必須保持總線低電平至少1μs，然后釋放總線讓DS2740提供有效數據。總線主在讀取時隙開始后(t{RDV})采樣數據，讀取時隙持續時間為(t{SLOT})，周期之間的最小恢復時間為(t_{REC})。

八、電氣特性

1. 絕對最大額定值

• (V{DD})、DQ、IS1、IS2、PIO相對于(V{ss})的電壓范圍為 -0.3V至 +6V。
• SNS相對于(V_{ss})的電壓范圍為 -0.3V至 +6V。
• 工作溫度范圍為 -40°C至 +85°C。
• 存儲溫度范圍為 -55°C至 +125°C。
• 焊接溫度見IPC/JEDEC J - STD - 020A。

2. 推薦的直流工作條件

• 電源電壓(V{DD})范圍為2.7V至5.5V（(T{A}=0^{circ}C)至 +70°C）。
• 數據引腳DQ電壓范圍為 -0.3V至 +5.5V。

3. 直流電氣特性

不同工作條件下，DS2740的各項電氣參數有明確的范圍和要求，如活動電流、睡眠模式電流、欠壓睡眠閾值、電流分辨率、電流滿量程幅度等。

4. 1-Wire接口電氣特性

1-Wire接口在標準速度和過驅動速度下，各信號的時間參數（如時間槽、恢復時間、寫0低時間等）有不同的要求。

總的來說，DS2740以其高精度的電流測量、豐富的功能和靈活的接口，為電池容量監測應用提供了強大的支持。電子工程師在設計相關系統時，可以根據具體需求合理選擇和使用DS2740，以實現高效、準確的電池管理。大家在實際應用中有沒有遇到過DS2740相關的問題呢？歡迎在評論區交流分享。