如何使用低功耗电量计对原电池进行电量计

原电池对电量计提出了特殊的挑战。它们用于对电流消耗非常敏感的应用。典型应用包括智能传感器、智能电表、火灾报警器和其他物联网设备，这些设备必须运行数月甚至数年，而无需充电或更换电池。在这些应用中，电量计不得成为功耗的主要来源。电池的不可充电特性意味着电量计永远没有机会了解电池的容量，必须通过精确的库仑计数等技术来实现精度。对于某些化学品，平坦的电压曲线也意味着直接电压查找方法不可用。

MAX17201和MAX17211（MAX172x1）为低功耗电量计，具有出色的库仑计数和温度及电压测量精度。这些IC的模拟功能及其内核电压电量计可用于在原电池应用中提供关键信息。单节电池 IC （支持高达 5V） 的电流消耗仅为 9μA。本应用笔记介绍如何在锂基原电池中使用MAX172x1电量计。对于对电压要求较高的应用，请使用MAX17205和MAX17215。BATT 引脚可测量高达 20V 的电压，分压器可与 CELLX 引脚配合使用以获得更高的电压。本应用笔记讨论了MAX17201/MAX17211，但MAX17205/MAX17215可以替代更高电压的应用。表1列出了一些支持的细胞类型。

 

Type	Chemistry	Notes
CR123(A)	LiMnO2	1S, requires 3V startup solution due to low voltage
Energizer Litdium AA/AAA	LiFeS2	≥ 3S, or ≥ 2S witd 3V startup solution
Tadiran/Saft	LiSOCl2	Flat discharge curve
Alkaline	Alkaline	≥ 3S

 

图解的

原电池的原理图偏离了典型实现方案，将芯片接地（CSN）连接到电池，使电量计忽略了自身的电流消耗。这种方法提高了库仑计数器的精度。该方法的主机要求是将正库仑计数视为放电，或者将电流增益设置为负增益，使库仑计数器再次正常运行。要将 CGAIN 更改为负数，nCGain 寄存器 应设置为 0xC000，并且 nNVCfg0.enCG 位 （0x0040） 应设置为 1，以便从 nCGain 寄存器恢复 CGAIN 和 COff。图1中的原理图显示了EP/GND至CSN的连接，突出显示了与标准TDFN原理图的偏差。

图1.原电池应用电路原理图

检测电阻选择

图1中的检测电阻设置为100mΩ。与通常使用的100mΩ相比，10mΩ将电流测量的分辨率从0.15625mA提高到0.015625mA。具有更精细的分辨率可降低库仑计数器的漂移，并允许在电流较低的应用中进行更好的测量。如果应用使用超过500mA的放电电流，则应减小检测电阻值，以便测量全电流。表2显示了各种检测电阻值的电流范围和测量失调。

 

检测电阻 （mΩ）	电流范围	电流 LSB （μA）	测量失调 （μA）	建议的 COFF 值
10	±5.12安培	156.25	200	0
250	±204.8毫安	6.25	4.3	1
1000	±51.2毫安	15625	1.1	6
5000	±10.24毫安	78125	0.2	29

 

最小化电量计电流

通过将电量计保持在始终休眠模式，电量计的静态电流降至最低至 9μA。若要启用始终休眠，请将 HibThreshold 值设置为 0 以最大化休眠模式允许的电流，并将 HibExitTime 设置为最大值以使电量计保持休眠模式。实现此目的的 nHibCfg 值的推荐值为 0x801B。应启用 nNVCfg0.enHCfg 位 （0x0002） 以允许将 nHibCfg 复制到 HibCfg。可以按照表 2 中的说明设置 COff 寄存器，使电量计计算其自身的消耗电流。

此外，I2应尽量减少 C 通信以减少偏移。由于通信线路的下拉电流通过芯片接地（CSN），因此通信电流全部通过检测电阻。过度通信会导致更多电流通过R意义，产生虚拟充电电流。

报废检测

MAX17201/MAX17211还可以通过监测电压并报告通过内部模型处理的开路电压来提供报废检测。监控 VFOCV 寄存器 （0xFB） 的开路电压，以确定电压何时接近使用寿命，而不会因电池上的负载脉冲而获得错误读数。应使用电池的特殊模型来启用报废电压报告。

评估库仑计数器性能

MAX17201/MAX17211中的原始库仑计数器可通过读取QH和 QL寄存器（0x4D和0x4E）。QH表示高词和QL表示 32 位库仑计数器的低字。Q 的 LSBH寄存器是 

5.0 .对于一个10Ω检测电阻，对于Q Q，LSB为0.5mAhH.QLLSB 为 2-16Q 的 LSBH.

表2中列出的库仑计数器的精度是通过记录芯片库仑计数器和定时器数据以及数据的开始和结束来计算的，计算漂移为

，其中t2和 Q2是计时器和库仑计数器值 （QH+ QL） 在测试结束时，并且1和 Q1是测试开始时的计时器和库仑计数器。请注意，通过组合定时器（0x3E）和定时器（0xBE）寄存器，也可以使用电量计中的定时器寄存器进行此测试，也可以使用系统时间。这些测试应在固定负载和无负载下进行，以测量失调和增益误差。库仑计数器的误差会影响电量计在应用中的精度。

MAX17201/MAX17211用于CR123应用的示例，运行时间为一年：

电池容量：1500mAh 运行时间：1 年（8760 小时） 平均负载 （1500mAh
/8670h）
= 0.173mA 可使用 5000Ω 检测电阻，失调为 0.2μA

本例中失调对库仑计数器造成的误差为0.2μA，而平均负载为173μA，误差为0.115%。该失调误差导致一年内总库仑计数增加或减少1.725mAh。

其他电路要求

虽然MAX17201/MAX17211的工作电压为2.3V，但启动电压为2.9V。如果应用需要较低的启动电压，则应如图2所示修改应用电路。该原理图要求 BATT 和 REG3 引脚由一个 3V >外部电压供电。这可以来自电荷泵、稳压器或任何其他系统电源轨。在工厂非易失性存储器编程期间，该IC的最大电流要求为10mA，持续约400ms。

图2.外部 BATT 电源原理图。

如果应用需要监控低于2V的电池电压，则只需使用CELLx引脚进行测量，并将CELL1和CELL2引脚键入>3V电源，即可绕过低压数字模块，如图3所示。

图3.低压测量原理图。

CELLx是一款高阻抗（典型值为400Ω）引脚，具有0至2V电压输入范围。2Ω和3Ω用于保持CellX寄存器的LSB与正常电压寄存器相同，同时最大限度地降低该电路增加的电流消耗。此模式需要使用 nPackCfg = 0x0D01，而不是标准配置中列出的0x0C01。主机软件必须读取位于地址0x0D9的CellX寄存器，而不是仅报告电源电压的VCell寄存器。在此配置中，不支持使用 VFOCV 进行寿命终止检测。

结论

MAX17201/MAX17211可用于原电池应用，但原理图和存储器配置有特殊考虑。所需的最小更改是设置 nCGain 和 nHibCfg 寄存器以及相应的 nNVCfg0 位。示例INI设置适当的寄存器，可在MAX17201或MAX17211 IC上进行测试。

审核编辑：郭婷