MAX17058/MAX17059：精准的单/双节锂电池电量计

在手持和便携式设备中，锂电池电量的精确监测至关重要。MAX17058/MAX17059 作为 Maxim Integrated 推出的高性能电量计，为锂电池电量监测提供了出色的解决方案。本文将深入介绍 MAX17058/MAX17059 的特点、性能及应用，帮助电子工程师更好地了解和使用这款产品。

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一、产品概述

MAX17058/MAX17059 是用于手持和便携式设备中锂离子（Li+）电池的微型电量计。MAX17058 适用于单节 Li+ 电池，而 MAX17059 则适用于两节串联的 Li+ 电池。它们采用先进的 ModelGauge™ 算法，能够在广泛变化的充放电条件下连续跟踪电池的相对充电状态（SOC）。该算法无需电流检测电阻和电池学习周期，并且通过系统微控制器实现温度补偿。

二、产品特性与优势

2.1 高精度电压测量

MAX17058/MAX17059 具备 ±7.5mV/Cell 的高精度电压测量能力，能够准确反映电池的电压状态。

2.2 ModelGauge 算法

• 准确的充电状态监测：提供精确的 SOC 数据，补偿温度和负载变化的影响。
• 无误差累积：与库仑计数器不同，该算法不会累积误差，无需学习过程，也无需电流检测电阻。

2.3 低静态电流

仅 23μA 的低静态电流，有助于降低系统功耗，延长电池续航时间。

2.4 电池插入去抖

通过对 16 个样本的最佳估计，提高初始 SOC 估计的准确性。

2.5 可编程重置

支持电池更换时的可编程重置，范围为 2.28V 至 3.48V。

2.6 低 SOC 警报指示

当电池 SOC 较低时，可发出警报信号，提醒用户及时充电。

2.7 I²C 接口

方便与系统微控制器进行通信，实现数据的传输和控制。

三、电气特性

3.1 绝对最大额定值

• CELL 至 GND：-0.3V 至 +12V
• 所有引脚（不包括 CELL）至 GND：-0.3V 至 +6V
• 连续吸收电流，SDA、ALRT：20mA
• 工作温度范围：-40°C 至 +85°C
• 存储温度范围：-55°C 至 +125°C

3.2 电气参数

在 2.5V < VDD < 4.5V，-20°C < TA < +70°C 的条件下，具有多种电气参数，如电源电压、燃料电量计 SOC 重置、数据 I/O 引脚电压等。例如，电源电压范围为 2.5V 至 4.5V，睡眠模式下的电源电流低至 0.5μA。

3.3 I²C 接口特性

支持高达 400kHz 的 SCL 时钟频率，具备多种时钟周期和时间参数，确保数据通信的稳定和可靠。

四、典型工作特性

4.1 静态电流与电源电压关系

在不同的电源电压和温度条件下，静态电流会有所变化。例如，在 TA = +70°C 时，静态电流相对较高。

4.2 电压 ADC 误差与温度关系

随着温度的变化，电压 ADC 误差会有所波动。在 -20°C 至 +70°C 的温度范围内，误差在 -20mV/cell 至 +20mV/cell 之间。

4.3 SOC 精度

在不同的温度条件下，ModelGauge 算法能够保持较高的 SOC 精度，误差较小。

五、引脚配置与功能

5.1 引脚分布

MAX17058/MAX17059 有 TDFN 和 WLP 两种封装形式，引脚分布如下：	引脚编号（TDFN）	引脚编号（WLP）	引脚名称	功能
1	A1	CTG	连接到 GND
1	A2	CELL	连接到电池正极，MAX17058 内部未连接，MAX17059 为电压检测输入
3	A3	VDD	电源输入，需用 0.1μF 电容旁路到 GND，MAX17058 为电压检测输入，连接到电池正极，MAX17059 连接到稳压电源
4	A4	GND	接地，连接到电池负极
5	B4	ALRT	开漏、低电平有效警报输出，可连接到系统微控制器的中断输入
6	B3	QSTRT	快速启动输入，重置充电状态计算，若不使用则连接到 GND
7	B2	SCL	I²C 时钟输入，内部有下拉电阻用于检测断开
8	B1	SDA	开漏 I²C 数据输入/输出，内部有下拉电阻用于检测断开
-	-	EP	外露焊盘（仅 TDFN），连接到 GND

5.2 引脚功能说明

• CTG：接地引脚，为电路提供参考地。
• CELL：连接电池正极，用于检测电池电压。
• VDD：电源输入引脚，为芯片提供工作电源。
• GND：接地引脚，确保电路的电气稳定性。
• ALRT：警报输出引脚，当 SOC 较低时发出警报信号。
• QSTRT：快速启动引脚，可重置充电状态计算。
• SCL：I²C 时钟输入引脚，用于同步数据传输。
• SDA：I²C 数据输入/输出引脚，实现数据的双向传输。

六、工作原理与性能分析

6.1 ModelGauge 算法原理

MAX17058/MAX17059 通过模拟锂离子电池的内部非线性动态来确定其 SOC。该算法考虑了电池的阻抗和化学反应速率，使用自定义模型可以实现更精确的测量。在电源复位（POR）时，芯片预加载了 ROM 模型，适用于部分电池。

6.2 电量计性能比较

与基于库仑计数器的电量计相比，ModelGauge 算法具有明显优势。库仑计数器由于电流检测 ADC 测量的偏移误差会随时间累积，导致 SOC 漂移，需要定期校正；而 ModelGauge 算法仅使用稳定的电压信号，无需校正事件，不会随时间漂移或累积误差。

6.3 电池电压与 SOC 关系

锂离子电池的开路电压（OCV）唯一确定其 SOC，但电池电压 VCELL 受多种因素影响，不能唯一确定 SOC。ModelGauge 算法通过长时间测量电压，综合考虑各种因素，提高了 SOC 测量的准确性。

6.4 温度补偿

为了获得最佳性能，主机微控制器需要定期测量电池温度，并相应调整 RCOMP 参数。通过公式计算新的 CONFIG.RCOMP 值，以补偿温度对电池性能的影响。

6.5 空电压选择的影响

在创建自定义模型时，选择合适的空电压非常重要。如图所示，随着空电压的增加，系统可用的电池容量会加速减少。

6.6 电池插入与启动

电池插入时，电量计通过对 16 个 VCELL 样本的最大值估计 OCV，17ms 后 OCV 准备就绪，175ms 后 SOC 准备就绪。若电池未处于松弛状态，初始误差会随时间逐渐减小。

6.7 电池更换检测

当 VCELL 低于 VRST 然后又高于 VRST 时，芯片会快速启动，处理电池更换情况，确保新电池的 SOC 不受旧电池影响。

6.8 快速启动

在某些情况下，如初始 SOC 估计误差较大时，可使用快速启动功能。但需谨慎使用，避免在不适当的时间启动导致 SOC 误差。

6.9 电源复位（POR）

POR 包括快速启动，会将所有寄存器恢复到默认值。执行 POR 后，需要重新加载自定义模型。

6.10 警报中断

当 SOC 较低时，芯片会中断系统微控制器，通过 ALRT 引脚发出警报信号。用户可通过配置寄存器来设置警报阈值。

6.11 睡眠模式

在睡眠模式下，芯片停止所有操作，电流消耗低于 1μA。退出睡眠模式后，芯片继续正常工作。但在睡眠模式下，芯片无法检测电池的自放电情况，可能导致 SOC 误差，因此在充电或放电前需要唤醒芯片。

七、寄存器配置

7.l 寄存器概述

MAX17058/MAX17059 的所有寄存器必须以 16 位字进行读写，8 位写入无效。部分寄存器位为“不关心”位或只读位，写入时会被忽略，读取时值未定义。

7.2 主要寄存器介绍

• VCELL 寄存器（0x02）：测量 VCELL 电压，值为四个 ADC 转换的平均值，每 250ms 更新一次。
• SOC 寄存器（0x04）：计算相对 SOC，自动适应电池尺寸变化，第一个更新在 POR 后约 1s 可用，后续更新根据应用条件而定。
• MODE 寄存器（0x06）：用于启动快速启动和启用睡眠模式。
• VERSION 寄存器（0x08）：指示芯片的生产版本。
• CONFIG 寄存器（0x0C）：用于补偿模型、控制睡眠模式、设置警报指示器和配置参数。
• VRESET 寄存器（0x18）：配置 VCELL 阈值，用于检测电池去除和重新插入。
• STATUS 寄存器（0x1A）：指示低 SOC 警报和复位状态。
• TABLE 寄存器（0x40 至 0x7F）：用于配置电池参数，默认值适用于部分锂离子电池，解锁和锁定需要特定操作。
• CMD 寄存器（0xFE）：发送 POR 命令，写入 0x5400 会使芯片完全复位。

八、应用示例

8.1 单节电池应用

如图所示，MAX17058 可用于 1S 电池组，通过将 ALRT 引脚连接到微控制器的中断输入，实现低电量警报功能。QSTRT 引脚可根据需要连接到上升沿复位信号或接地。

8.2 双节电池应用

MAX17059 适用于 2S 电池组，可安装在系统侧，由 3.3V 电源供电，CELL 引脚直接连接到电池组正极。

九、I²C 总线系统

9.1 总线操作模式

MAX17058/MAX17059 作为 I²C 总线的从设备，支持单从或多从、单主或多主系统。通过唯一设置 7 位从地址，多个从设备可以共享总线。

9.2 数据传输

在每个 SCL 时钟周期内传输一位数据，SDA 逻辑电平在 SCL 高电平时必须保持稳定。数据传输采用 MSb 优先的顺序，每个字节后跟随一个确认位。

9.3 总线状态

总线空闲时，SDA 和 SCL 均为高电平。主设备通过 START 条件启动事务，通过 STOP 条件结束事务。重复 START 条件可在不返回空闲状态的情况下切换事务。

9.4 确认位

数据传输过程中，主设备和从设备都会生成确认位。通过监测确认位，可以检测数据传输是否成功。

9.5 从地址和读写位

主设备通过发送从地址和读写位来启动与从设备的通信。读写位决定了后续数据的传输方向。

9.6 总线时序

芯片兼容高达 400kHz 的总线时序，无需特殊配置即可正常工作。

9.7 命令协议

I²C 命令协议包括基本的写和读事务格式，以及写数据和读数据协议。每个命令格式中的字节都需要从设备或主机返回确认位才能继续传输。

十、订购信息与封装

10.1 订购信息

MAX17058 和 MAX17059 有多种型号可供选择，工作温度范围均为 -40°C 至 +85°C。

10.2 封装信息

提供 8 WLP 和 8 TDFN-EP 两种封装形式，详细的封装轮廓和焊盘图案信息可在官方网站查询。

十一、总结

MAX17058/MAX17059 电量计凭借其高精度的测量、先进的算法和丰富的功能，为锂离子电池的电量监测提供了可靠的解决方案。电子工程师在设计手持和便携式设备时，可以充分利用其特性，提高设备的性能和用户体验。在实际应用中，需要根据具体需求合理配置寄存器和引脚，确保电量计的正常工作。同时，要注意温度补偿、电池插入和启动等细节，以获得更准确的 SOC 数据。你在使用 MAX17058/MAX17059 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。