MAX17047/MAX17050：单节电池电量计的卓越之选

在电子设备的设计中，准确测量电池电量至关重要。今天，我们就来深入了解一下 Maxim 公司的 MAX17047/MAX17050 单节电池电量计，看看它在电池管理领域能为我们带来哪些出色的表现。

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一、产品概述

MAX17047/MAX17050 集成了 Maxim ModelGauge™ m3 算法，它将库仑计数器出色的短期精度和线性度，与基于电压的电量计的长期稳定性相结合，再加上温度补偿功能，提供了业界领先的电量计精度。该算法消除了库仑计数器中的偏移累积误差，并且与纯电压电量计相比，具有更好的短期精度。它还避免了库仑计数器算法中常见的突然校正问题，因为微小的连续校正会在一段时间内分散进行。

这两款器件能够自动补偿电池的老化、温度和放电率，在广泛的工作条件下提供准确的充电状态（SOC），以 mAh 或百分比表示，同时还能提供剩余使用时间。它们提供了两种报告电池老化程度的方法：容量减少和循环里程计。此外，器件还能精确测量电流、电压和温度，电池组的温度通过辅助输入上的比率测量来支持外部热敏电阻进行测量。通过 2 线（I²C）接口可以访问数据和控制寄存器。

MAX17047 采用无铅 3mm x 3mm、10 引脚 TDFN 封装，而 MAX17050 则采用 0.4mm 间距的 9 凸点 WLP 封装。

二、应用领域

MAX17047/MAX17050 适用于多种设备，包括智能手机、平板电脑、健康和健身监视器、数码相机、摄像机和运动相机、医疗设备、手持计算机和终端以及无线扬声器等。这些设备对电池电量的准确监测有较高要求，而 MAX17047/MAX17050 正好能满足这一需求。

三、核心特性

3.1 精确的电池容量和剩余使用时间估计

• 补偿特性：能够对温度、电池老化和放电率进行补偿，确保在各种条件下都能准确估算电池容量和剩余使用时间。
• 无需特殊状态：不需要电池处于空、满或空闲状态来维持精度，这使得在实际使用中更加灵活方便。

3.2 精密测量系统

• 无需校准：降低了设计和使用成本，提高了开发效率。

3.3 ModelGauge m3 算法

• 优势结合：结合了高精度库仑计数器和电压电量计（VFG）的优势，消除了两者的弱点。在电池使用初期，OCV 状态估计的权重较大；随着电池循环次数增加，库仑计数器的结果逐渐占主导地位。
• 适应性强：能够自适应电池特性，通过独立的学习程序不断调整以适应电池和应用的变化。

3.4 外部温度测量网络

• 降低功耗：采用主动切换的热敏电阻分压器，减少了电流消耗，有助于延长设备的电池续航时间。

3.5 低静态电流

• 工作模式：在活动模式下电流为 25μA，关机模式下电流小于 0.5μA，进一步降低了功耗。

3.6 多种报警指示

• 全面监测：提供 SOC、电压、温度和电池插拔事件的报警指示，让用户及时了解电池的状态。

3.7 AtRate 剩余容量估计

• 灵活估算：允许主机软件根据理论负载电流估算剩余容量、SOC 和剩余使用时间。

3.8 2 线（I²C）接口

• 通信便捷：方便与其他设备进行通信和数据交互。

3.9 小型封装

• 节省空间：提供 3mm x 3mm、10 引脚 TDFN 封装或 0.4mm 间距的 9 凸点 WLP 封装，适合对空间要求较高的设备。

四、电气特性

4.1 绝对最大额定值

器件对各引脚的电压、电流和功率等都有明确的绝对最大额定值限制，例如 VBATT、SDA、SCL 等引脚的电压范围，以及连续灌电流和连续功耗等。在设计电路时，必须严格遵守这些限制，以确保器件的安全可靠运行。

4.2 电气参数

包括电源电压、电源电流、REG 调节电压、测量误差、分辨率等多项参数，这些参数规定了器件在不同条件下的性能表现。例如，在不同的温度和电压范围内，测量误差和分辨率会有所不同。

4.3 2 线接口参数

对 I²C 接口的时钟频率、总线空闲时间、保持时间、低电平和高电平周期等参数都有明确的规定，确保了与其他设备进行通信时的稳定性和可靠性。

五、典型工作特性

文档中给出了多个典型工作特性的图表，如关机电流与电源电压的关系、电压 ADC 误差与温度和电源电压的关系、活动电流与电源电压的关系等。这些图表直观地展示了器件在不同条件下的性能表现，有助于工程师在设计时进行参考和优化。

六、引脚和封装

6.1 引脚配置

MAX17047 和 MAX17050 的引脚配置有所不同，每个引脚都有其特定的功能。例如，VTT 引脚是热敏电阻偏置开关的电源输入（仅 MAX17047 有），AIN 引脚是辅助电压输入，用于外部热测量网络和电池插拔检测等。

6.2 封装形式

MAX17047 采用 TDFN 封装，MAX17050 采用 WLP 封装，不同的封装形式适用于不同的应用场景。在选择封装时，需要考虑设备的空间要求、散热需求等因素。

七、电路设计

7.1 典型工作电路

器件设计为安装在其所监控的电池组外部，通过 VBATT 和 CSP 连接直接测量电池组的电压，通过 CSN 和 CSP 引脚之间的外部感测电阻测量电流，通过 AIN 引脚监控外部电阻分压器网络来测量电池组的温度。与主机的通信通过标准 I²C 接口进行。

7.2 多节电池电路

MAX17047 可用于多节电池组应用，通过电阻分压器网络将电池组电压分压，使 IC 监控单节电池的等效电压。而对于 MAX17050 的多节电池应用电路，需要联系厂家获取。

7.3 热敏电阻共享电路

MAX17047 可以与系统充电器共享电池热敏电阻电路，在这种配置下，每个设备可以单独或同时测量温度而不会相互干扰。但 MAX17050 不能在这种配置下工作。

7.4 布局建议

在 PCB 布局时，为了保证测量精度，需要遵循一些建议，如将 RSNS 电阻尽可能靠近 PACK - 安装，VBATT 走线应与 PACK + 进行 Kelvin 连接，CSN 和 CSP 走线应与 RSNS 进行 Kelvin 连接等。

八、ModelGauge m3 寄存器

8.1 寄存器分类

ModelGauge m3 算法涉及多个寄存器，包括模拟输入寄存器、应用特定寄存器、电池特性信息寄存器、算法配置寄存器以及保存和恢复寄存器等。这些寄存器存储了电池、应用和实时测量的信息，用于计算准确的结果。

8.2 重要寄存器介绍

• SOCMIX 寄存器：保存计算出的电池当前充电状态，以百分比形式存储，分辨率为 0.0039% per LSb。
• RemCapMIX 寄存器：保存计算出的电池剩余容量，以 μVh 为单位，需要除以应用感测电阻值来确定 mAh 单位的剩余容量。
• SOCREP 寄存器：是 SOCAV 寄存器的滤波版本，可防止由于应用变化（如负载电流突变）导致的报告值大幅跳动。
• 其他寄存器：还包括 TTE 寄存器、Age 寄存器、VFOCV 寄存器等，每个寄存器都有其特定的功能和用途。

九、充电结束检测

器件通过监测 Current 和 AverageCurrent 寄存器，当应用电流落入 ICHGTerm 寄存器值设定的范围内时，检测到充电周期结束。这样可以有效拒绝虚假的充电结束事件，如应用负载尖峰或早期充电源移除。当检测到正确的充电结束事件时，器件会根据 RemCapREP 输出学习新的 FullCAP 寄存器值，以确保计算出的充电状态不会超过 100%。

十、电池插拔检测

10.1 检测原理

通过监控 AIN 引脚电压与 THRM 引脚电压的比较来检测电池的插拔。当电池存在时，外部电阻分压器网络设置 AIN 引脚的电压；当电池移除时，剩余的外部电阻将 AIN 引脚拉至 THRM 引脚电压水平。

10.2 插入和移除操作

• 插入操作：当检测到电池插入时，电量计会重置，所有电量计输出会更新以反映新插入电池的 SOC。这个过程所需的时间取决于 FTHRM 位的设置。同时，主机可以通过清除 MiscCFG 寄存器中的 enBi1 位来禁用此功能。
• 移除操作：电池移除不会影响 IC 的操作，器件会继续更新电量计输出。主机可以通过监测状态寄存器的 Br 和 Bst 位来确定电量计输出是否有效。此外，还可以配置器件在电池插入或移除时向主机发出警报。

十一、工作模式

11.1 活动模式

在活动模式下，器件作为高精度电池监视器工作，持续测量温度、电压、辅助输入、电流和累积电流，并将结果更新到测量寄存器中。只有在活动模式下才能进行 READ 和 WRITE 操作。

11.2 关机模式

在关机模式下，LDO 禁用，所有活动停止，但易失性 RAM 内容保留，所有 A/D 寄存器和电量计输出值也会保持。进入关机模式有多种方式，如通过 SHUTDOWN 命令、电池组移除、I²C 关机或 ALRT 关机等；退出关机模式则可以通过 I²C 唤醒、ALRT 唤醒或复位等方式。

十二、ALRT 功能

12.1 报警触发条件

ALRT 引脚的开漏输出驱动器可以根据多种条件生成中断信号，包括电池插拔、过/欠电压、过/欠温度以及过/欠 SOC 等。在 CONFIG 寄存器中可以设置 ALRT 引脚的极性和警报使能等功能。

12.2 阈值寄存器

VALRT 阈值寄存器、TALRT 阈值寄存器和 SALRT 阈值寄存器分别设置了电压、温度和 SOC 的上下限阈值，当超过这些阈值时会触发 ALRT 引脚的中断。

十三、状态和配置寄存器

13.1 CONFIG 寄存器

CONFIG 寄存器控制着 ALRT 中断功能、活动和关机模式之间的转换，并向主机处理器提供状态更新。其中包含了多个控制位，如 FTHRM、ETHRM、ALSH、I2CSH 等，每个位都有其特定的功能。

13.2 其他寄存器

还包括 TIMER 寄存器、SHDNTIMER 寄存器、Status 寄存器和 Version 寄存器等，这些寄存器用于保存器件的定时信息、关机超时时间、状态标志和版本信息等。

十四、测量功能

14.1 电压测量

包括 VCELL 寄存器和 AverageVCELL 寄存器，分别测量电池的实时电压和一段时间内的平均电压。在活动模式下，器件会定期测量电压，并将结果存储在相应的寄存器中。

14.2 电流测量

Current 寄存器和 AverageCurrent 寄存器用于测量电流的实时值和一段时间内的平均值。可以通过 CGAIN 寄存器和 COFF 寄存器调整电流测量的增益和偏移，以满足不同应用的需求。

14.3 温度测量

AIN 寄存器测量 AIN 引脚和 CSP 引脚之间的电压与 THRM 引脚电压的比率，Temperature 寄存器根据 AIN 寄存器的值和 TGAIN 寄存器、TOFF 寄存器的值计算出温度。同时，还可以通过 AverageTemperature 寄存器测量一段时间内的平均温度。

十五、2 线总线系统

15.1 总线特性

支持作为仅从设备在单或多从、单或多主系统中运行，最多可 128 个从设备共享总线。通过 2 线接口（SDA 和 SCL）实现与主设备的双向通信，通信速度可达 400kHz。

15.2 通信协议

包括位传输、总线空闲、START 和 STOP 条件、确认位、数据顺序、从地址、读写位等基本概念和操作规则，以及多种命令协议，如写数据协议和读数据协议等。

十六、总结

MAX17047/MAX17050 单节电池电量计凭借其先进的 ModelGauge m3 算法、高精度的测量能力、丰富的功能和灵活的配置选项，为电子设备的电池管理提供了一个可靠的解决方案。在实际设计中，工程师们需要根据具体的应用需求，合理选择器件的封装形式，正确配置寄存器，优化电路布局，以充分发挥其性能优势。同时，对于电池管理系统的设计，还需要综合考虑其他因素，如电池的类型、充电策略等，以确保整个系统的稳定性和可靠性。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？或者对电池管理系统有什么独特的见解，欢迎一起交流探讨。