低功耗1节电池电量计MAX17055：ModelGauge m5 EZ算法的卓越应用

在电子设备的设计中，准确测量电池电量至关重要。今天，我们来深入了解一款低功耗的1节电池电量计——MAX17055，它采用了Maxim ModelGauge™ m5 EZ算法，为电池电量测量带来了新的解决方案。

文件下载：MAX17055.pdf

一、产品概述

MAX17055是一款工作电流仅7μA的低功耗电量计，它实现了Maxim ModelGauge™ m5 EZ算法。该算法的优势在于无需进行电池特性表征，简化了主机软件交互，为电量计的实现提供了极大的便利。

（一）算法优势

ModelGauge m5 EZ算法结合了库仑计数器的短期精度和线性度，以及基于电压的电量计的长期稳定性，并具备温度补偿功能，提供了行业领先的电量计精度。它能够自动补偿电池老化、温度和放电率的影响，准确提供电池的充电状态（SOC，以百分比表示）和剩余容量（以毫安时mAh表示）。当电池接近电量耗尽的临界区域时，该算法会启动特殊的补偿机制，消除任何误差。此外，它还提供了三种报告电池老化的方法：容量降低、电池电阻增加和循环里程计。

（二）测量功能

MAX17055能够精确测量电流、电压和温度。电池组的温度可以通过内部温度测量或外部热敏电阻进行测量。通过2线I2C接口，用户可以访问数据和控制寄存器。

（三）封装形式

MAX17055提供两种封装形式：微小的无铅0.4mm间距1.4mm x 1.5mm、9引脚WLP封装，以及2mm x 2.5mm、10引脚TDFN封装，满足不同应用场景的需求。

二、产品特性与优势

（一）ModelGauge m5 EZ算法特性

1. 无需特性表征：无需对电池进行特性表征即可实现出色的性能，减少了开发时间和成本。
2. 抗电池差异能力强：对大多数锂电池和应用中的电池差异具有较强的耐受性，确保了在不同电池条件下的稳定性能。
3. 消除接近空电压时的误差：在电池接近电量耗尽时，能够有效消除误差，提供准确的电量信息。
4. 消除库仑计数器漂移：避免了传统库仑计数器因电流测量偏移误差积累而导致的漂移问题。
5. 电流、温度和老化补偿：自动补偿电池的电流、温度和老化因素，提高了电量测量的准确性。
6. 无需空、满或空闲状态：在各种电池状态下都能正常工作，无需特定的充电或放电状态。

（二）其他特性

1. 低工作电流：仅7μA的工作电流，有助于延长电池的使用寿命，适用于对功耗要求较高的应用。
2. 宽感测电阻范围：支持1mΩ至1000mΩ的感测电阻，可根据不同的应用需求进行选择。
3. 支持多种电池类型：支持Li+及其变体，包括LiFePO₄电池。
4. 高精度温度测量：内部温度测量精度为±1°C，也可使用外部热敏电阻进行温度测量。
5. 动态功率估计：能够在放电过程中估计功率能力，提供时间到空和时间到满的估计，支持恒定功率或恒定电流模式。
6. 精确测量系统：无需校准，提供高精度的测量结果。
7. 警报指示功能：可对电压、SOC、温度、电流和1% SOC变化进行警报指示，方便用户及时了解电池状态。

三、应用领域

MAX17055适用于多种应用领域，包括但不限于：

1. 可穿戴设备：如智能手表、健身追踪器等，低功耗特性能够满足其长时间续航的需求。
2. 智能手机和平板电脑：准确的电量测量有助于提供更好的用户体验。
3. 蓝牙耳机：确保耳机在使用过程中能够准确显示电量。
4. 健康和健身监测设备：为设备提供可靠的电量信息。
5. 数码相机和摄像机：保证拍摄过程中电量的准确显示。
6. 医疗设备：对电量测量的准确性要求较高，MAX17055能够满足其需求。
7. 手持计算机和终端：为设备的正常运行提供电量保障。
8. 无线扬声器：提供准确的电量指示，方便用户合理使用设备。
9. 家庭和建筑自动化设备及传感器：确保设备在不同环境下的稳定运行。
10. 便携式游戏玩家和玩具：为娱乐设备提供可靠的电量信息。

四、电气特性

（一）电源参数

• 电源电压：2.3V至4.9V，确保在不同电池电压下的正常工作。
• 启动电压：最大为3.0V。
• 关机电源电流：在TA ≤ +50°C时，典型值为0.5μA，最大值为0.9μA。
• 休眠电源电流：在TA ≤ +50°C时，平均电流典型值为7μA，最大值为12μA。
• 活动电源电流：在TA ≤ +50°C时，不包括热敏电阻测量电流，典型值为18μA，最大值为30μA。
• 调节电压：为1.8V。

（二）模拟到数字转换参数

• 电池测量误差：在TA = +25°C时，误差范围为-7.5mV至+7.5mV；在TA = -40°C至+85°C时，误差范围为-20mV至+20mV。
• 电池测量分辨率：为78.125μV。
• 电池测量范围：为2.3V至4.9V。

（三）电流测量参数

• 电流测量偏移误差：在VCSN = 0V时，长期平均值为±1.5μV。
• 电流测量增益误差：为读数的-1%至+1%。
• 电流测量分辨率：为1.5625μV。
• 电流测量范围：为±51.2mV。

（四）温度测量参数

• 内部温度测量误差：为±1°C。
• 内部温度测量分辨率：为0.00391°C。

（五）输入/输出参数

• 输出驱动高电平：在IOH = -1mA、VBATT = 2.3V时，VOH = VBATT - 0.1V。
• 输出驱动低电平：在IOL = 4mA、VBATT = 2.3V时，VOL ≤ 0.4V。
• 输入逻辑高电平：为1.5V。
• 输入逻辑低电平：为0.5V。

（六）其他参数

• 电池分离检测阈值：为92.5%至97.5%。
• 电池分离检测阈值滞后：为1%。
• 电池分离比较器延迟：最大为100μs。
• 泄漏电流：在VALRT < 15V时，为-1μA至+1μA。
• 输入下拉电流：在VSDA、VSCL = 0.4V时，为0.05μA至0.4μA。
• 2线接口参数：SCL时钟频率最大为400kHz，总线空闲时间、保持时间、低周期、高周期、设置时间等都有相应的规定。

五、引脚配置与功能

（一）引脚配置

MAX17055的WLP封装和TDFN封装具有不同的引脚配置。WLP封装有9个引脚，TDFN封装有10个引脚。各引脚的名称和功能如下：	PIN	WLP	TDFN	NAME	FUNCTION
-	-	1	N.C.	无连接，与IC无电气连接
A1	2	AIN	辅助电压输入，用于外部热敏电阻测量网络，也可用于电池插入/移除检测
A2	3	SCL	串行时钟输入，2线时钟线，仅为输入，具有内部下拉电阻用于检测断开连接
C1	4	SDA	串行数据输入/输出，2线数据线，开漏输出驱动器，具有内部下拉电阻用于检测断开连接
A3	5	CSN	感测电阻负感测点，与感测电阻的负载侧进行开尔文连接
C3	6	CSP	IC接地，感测电阻正感测点，与感测电阻的电池侧进行开尔文连接
B3	7	REG	内部1.8V稳压器输出，需通过外部0.47μF电容旁路到CSP
B2	8	ALRT	警报输出，开漏、低电平有效输出，用于指示电量计警报，通常连接到微控制器的中断引脚
C2	9	THRM	热敏电阻偏置连接，为热敏电阻分压器提供电源，连接到热敏电阻/电阻分压器的高端
B1	10	BATT	电源和电池电压感测输入，连接到电池单元的正极端，需通过0.1μF电容旁路到CSP
-	-	EP	外露焊盘（仅TDFN封装），连接到CSP

（二）功能说明

通过这些引脚，MAX17055能够实现对电池电压、电流和温度的测量，并与主机进行通信，同时提供警报功能。

六、典型应用电路

（一）应用场景

MAX17055可应用于具有可拆卸电池组的系统和具有固定电池的系统。在可拆卸电池系统中，使用外部热敏电阻分压器网络进行温度测量；在固定电池系统中，使用IC内部的温度测量功能，节省了两个组件的成本和尺寸。

（二）电路设计要点

• 电流测量：通过连接在CSP和CSN引脚之间的外部感测电阻测量系统电流。
• 电压测量：在BATT和CSP引脚之间进行系统电压测量。
• 电容连接：将BATT和REG旁路电容的环路面积尽可能减小，直接连接到CSP。
• 外露焊盘连接：当使用TDFN封装时，将外露焊盘（EP）直接连接到CSP。

七、ModelGauge m5 EZ算法详解

（一）传统电量计的局限性

传统的基于库仑计数器的电量计具有良好的线性度和短期性能，但由于电流感测测量中的偏移误差积累，会导致漂移问题。基于电压测量的SOC估计虽然不会积累偏移误差，但由于电池建模不完善，存在精度限制。

（二）ModelGauge m5算法的优势

ModelGauge m5算法将高精度的库仑计数器与先进的电压电量计（VFG）相结合。VFG能够在电流流动时估计开路电压（OCV），并模拟锂离子电池的非线性内部动态，以确定SOC，且不会积累偏移误差。通过混合算法，将VFG容量与库仑计数器的结果进行加权组合，充分发挥两者的优势，消除了各自的弱点。

（三）算法的自适应能力

该算法能够根据电池的温度、电流、老化和应用参数，不断调整电池状态信息，以确定系统可用的剩余容量。当电池接近电量耗尽时，算法会启动特殊的误差校正机制，消除任何误差。同时，算法还能通过独立的学习例程，不断适应电池和应用的变化。

八、寄存器配置与应用

（一）配置寄存器

ModelGauge m5 EZ算法需要配置一些寄存器，包括DesignCap寄存器（存储电池的标称容量）、VEmpty寄存器（设置与空检测相关的阈值）、ModelCfg寄存器（控制EZ算法的基本选项）、IChgTerm寄存器（用于检测充电终止）、Config寄存器和Config2寄存器（控制各种功能的启用和禁用）等。

（二）输出寄存器

算法的输出寄存器包括RepCap寄存器（报告剩余容量）、RepSOC寄存器（报告充电状态百分比）、FullCapRep寄存器（报告与RepCap对应的满容量）、TTE寄存器（估计到空的时间）、TTF寄存器（估计到满的时间）、Cycles寄存器（记录电池的充放电循环次数）和Status寄存器（维护与警报阈值和电池插入/移除相关的标志）等。

（三）模拟测量寄存器

MAX17055还提供了用于电压、电流和温度测量的寄存器，如VCell寄存器（报告电池电压）、AvgVCell寄存器（报告平均电池电压）、Current寄存器（报告电流）、AvgCurrent寄存器（报告平均电流）、Temp寄存器（报告温度）等。

（四）警报功能寄存器

通过设置警报阈值寄存器，如VAlrtTh寄存器（设置电压警报阈值）、TAlrtTh寄存器（设置温度警报阈值）、SAlrtTh寄存器（设置SOC警报阈值）和IAlrtTh寄存器（设置电流警报阈值），可以在电池状态超出阈值时触发警报。

九、布局指南

为了确保电压、温度和电流测量的准确性，需要遵循以下布局指南：

1. 感测电阻连接：CSN和CSP迹线应与感测电阻进行开尔文连接，避免共享高电流路径，以提高电流测量的准确性。
2. 外露焊盘连接：对于TDFN封装设计，将EP直接连接到CSP引脚。
3. REG电容布局：最小化REG电容迹线的环路面积，将REG尽可能靠近IC连接到CSP引脚，并仅运行一条CSP迹线到感测电阻，以过滤内部稳压电源的噪声。
4. 接地连接：所有其他接地连接应与CSP或CSN迹线分开，开尔文线不应与其他电路共享，开尔文迹线上不建议使用过孔。

十、订购信息

MAX17055提供多种型号可供选择，包括不同的温度范围和引脚封装：	PART NUMBER	TEMP RANGE	PIN-PACKAGE
MAX17055EWL+	-40°C to +85°C	9 WLP
MAX17055EWL+T	-40°C to +85°C	9 WLP
MAX17055ETB+	-40°C to +85°C	10 TDFN-EP
MAX17055ETB+T	-40°C to +85°C	10 TDFN-EP

总之，MAX17055凭借其低功耗、高精度和强大的算法，为电池电量测量提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，电子工程师可以根据具体需求选择合适的封装和配置，以实现最佳的性能。你在使用MAX17055的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。