DS2784：单节电池电量计的卓越之选

在电池管理领域，准确测量电池电量、保障电池安全以及实现可靠的认证功能至关重要。Maxim Integrated的DS2784单节电池电量计，集成了FuelPack、保护器和SHA - 1认证功能，为众多应用提供了全面而高效的解决方案。

文件下载：DS2784.pdf

一、产品概述

DS2784工作电压范围为2.5V至4.6V，适用于采用单节锂离子（Li+）或Li+聚合物电池的电池组。它能够以mAh和百分比的形式报告可用电量，同时具备Li+保护功能和基于SHA - 1的挑战 - 响应认证，确保电池的安全运行。通过对电压、温度和电流的精确测量，结合电池特性和应用参数，DS2784可以准确估算电池容量。此外，它还提供了16字节的EEPROM内存，供主机系统和/或电池组制造商专用，方便进行电池批次和日期跟踪，或存储系统或电池使用统计信息。

应用领域广泛

DS2784的应用场景十分丰富，涵盖了健康与健身监测器、数码静态相机、视频和运动相机、医疗设备、手持计算机和终端、手持无线电、家庭和建筑自动化传感器、智能电池以及电动工具等领域。

突出特性

• 高精度测量系统：具备精确的电压、温度和电流测量功能，能够实时准确地获取电池状态信息。
• 容量估算精准：根据库仑计数、放电速率、温度和电池特性等因素估算可用容量，同时支持通过学习循环估算电池老化情况。
• 低成本设计：使用低成本的检测电阻，并且允许对增益和温度系数进行校准。
• 安全保护完善：拥有Li+安全电路，可实现过压、欠压、过流和短路保护，同时具备可编程的过压和过流安全阈值。
• 认证可靠：采用SHA - 1算法和64位密钥进行认证，保障电池的安全性。
• 丰富的内存资源：配备32字节的参数EEPROM和16字节的用户EEPROM。
• 接口便捷：采用Maxim 1 - Wire接口，具有64位唯一ID，支持16kbps或143kbps的串行通信。
• 封装小巧：采用微小的无铅14引脚TDFN封装，易于嵌入使用薄型方形电池的电池组中。

二、电气特性

绝对最大额定值

DS2784在不同引脚的电压范围、电流和温度等方面都有明确的绝对最大额定值限制。例如，PLS引脚相对于VSS的电压范围为 - 0.3V至 + 18V，工作温度范围为 - 40°C至 + 85°C，存储温度范围为 - 55°C至 + 125°C等。这些额定值为工程师在设计电路时提供了重要的参考，确保设备在安全的范围内运行。

电气参数

在电气特性方面，DS2784表现出色。其供电电压范围为2.5V至4.6V，睡眠模式下的供电电流低至1μA（典型值），而在SHA计算期间的活动模式下，供电电流最高可达500μA。温度测量精度为±3°C，分辨率为0.125°C；电压测量范围为0至4.6V，分辨率为4.88mV；电流测量分辨率为1.56μV，满量程为±51.2mV，增益误差控制在±1%以内。这些精确的参数保证了DS2784能够准确地监测电池的各项状态。

保护电路特性

保护电路是DS2784的重要组成部分，它能够实时监测电池的电压和电流，防止电池出现过压、欠压、过流和短路等危险情况。过压检测阈值可在4.252V至4.507V之间进行编程，欠压检测阈值为2.45V（典型值），过流检测和短路检测也都有相应的阈值和延迟时间。例如，过流检测延迟时间为8至12ms，短路检测延迟时间为80至160μs。这些保护机制确保了电池的安全可靠运行。

EEPROM可靠性

EEPROM的可靠性对于数据存储至关重要。DS2784的EEPROM复制时间为10ms，在TA = + 50°C的条件下，复制耐久性可达50,000个周期，保证了数据的长期稳定存储。

1 - Wire接口特性

1 - Wire接口是DS2784与外部设备进行通信的重要方式。它在标准模式和超速模式下都有明确的时序参数。例如，标准模式下的时间槽为60至120μs，恢复时间为1μs；超速模式下的时间槽为6至16μs，恢复时间同样为1μs。这些时序参数确保了通信的准确性和稳定性。

三、引脚配置与功能

DS2784采用14引脚TDFN封装，各引脚具有明确的功能。VDD为电源输入引脚，需通过0.1μF电容旁路至VSS；VIN为电池电压检测输入引脚，通过去耦网络连接到电池正极；DQ为数据输入/输出引脚，支持串行数据通信，还可用于检测电池断开和唤醒设备；CC和DC分别为充电和放电控制引脚，用于控制外部FET的开关；CP为充电泵输出引脚，同样需要通过0.1μF电容旁路至VSS。这些引脚的合理配置使得DS2784能够与外部电路进行有效的连接和协作。

四、详细功能解析

电量计功能

DS2784作为一款高精度的电量计，通过对电池电压、温度和电流的实时监测，结合电池的特性模型和应用参数，能够准确估算电池的剩余容量。它采用分段线性模型来描述电池在不同负载和温度下的性能，通过查找表的方式获取电池的满电和空电状态信息。同时，它还支持通过学习循环来更新电池的老化数据，提高容量估算的准确性。在电池电量发生变化时，DS2784会及时更新容量估算寄存器的值，为用户提供准确的电量信息。

Li+保护功能

Li+保护功能是DS2784的核心功能之一，它能够实时监测电池的电压和电流，防止电池出现过充、过放、过流和短路等情况。当检测到异常情况时，保护电路会迅速采取措施，关闭相应的FET，以保护电池和设备的安全。例如，当电池电压超过过压阈值时，CC引脚会被拉低，关闭外部充电FET；当电池电压低于欠压阈值时，CC和DC引脚都会被拉低，关闭充电和放电FET，并进入睡眠模式。此外，保护电路的阈值和延迟时间都可以进行编程，以满足不同电池和应用的需求。

SHA - 1认证功能

SHA - 1认证功能为DS2784提供了高级别的安全保障。它采用FIPS - 180兼容的SHA - 1单向哈希算法，对包含64位密钥、64位挑战和384位常量数据的消息块进行哈希运算，生成消息认证码（MAC）。主机和DS2784都会根据共同的密钥计算MAC，通过比较两者的MAC值来验证电池的身份。这种认证方式确保了电池与设备之间的通信安全，防止非法电池的使用。同时，DS2784还支持多种认证命令，如写入挑战、计算MAC等，方便用户进行认证操作。

五、电源模式与控制

DS2784具有两种电源模式：活动模式和睡眠模式。上电时，设备默认进入活动模式，此时设备的测量和容量估算功能正常运行，保护电路实时监测电池状态，SHA - 1认证功能也可用。在活动模式下，当进行SHA - 1计算时，供电电流会增加到IDD3，持续时间为tSHA。睡眠模式下，设备会关闭测量和容量估算功能，以节省功耗，但会保留寄存器内容。保护FET的栅极驱动会被禁用，SHA - 1认证功能也停止工作。

设备进入睡眠模式有两种情况：总线低电平和欠压。通过控制寄存器中的使能位，可以选择是否允许设备在这两种情况下进入睡眠模式。当充电器连接（VPLS > VDD + 50mV）或检测到充电电流时，设备不会进入睡眠模式。设备可以通过充电器连接、VIN ≥ VUV或DQ引脚的低到高电平转换退出睡眠模式。

此外，DS2784还具备“电源开关”功能，当主机系统断电时，可以通过PIO引脚或DQ引脚的简单干触点开关唤醒设备并启用保护FET。通过控制寄存器中的PSPIO和PSDQ配置位，可以启用该功能。当满足睡眠条件且PSPIO或PSDQ置位时，PIO和DQ引脚会微弱上拉，然后等待检测到低电平转换信号。100ms的去抖时间可以过滤掉电池插入系统时可能产生的干扰信号。

六、寄存器配置

DS2784拥有多个寄存器，用于控制设备的各种功能和存储相关数据。

控制寄存器

控制寄存器（地址60h）的所有位都可以进行读写操作，上电时会从参数EEPROM中恢复寄存器的值。寄存器中的各个位具有不同的功能，例如：

• NBEN：负消隐使能位，用于控制是否对负电流值进行消隐处理。
• UVEN：欠压使能位，允许设备在电压低于VUV且DQ引脚稳定时进入睡眠模式。
• PMOD：电源模式使能位，允许设备在DQ引脚低电平持续tSLEEP时间时进入睡眠模式。
• RNAOP：读取网络地址操作码选择位，用于选择读取网络地址命令的操作码。
• PSPIO和PSDQ：分别为PIO引脚和DQ引脚的电源开关使能位，用于启用相应引脚的电源开关功能。

保护寄存器

保护寄存器（地址00h）用于报告Li+安全电路检测到的事件。其中，2至7位由内部硬件设置，用于指示过压、欠压、过流等保护事件；0和1位用于禁用充电和放电FET的栅极驱动。这些位在电源上电和从睡眠模式切换到活动模式时会被设置，在活动模式下可以通过清除这些位来禁用相应的FET。

阈值寄存器

阈值寄存器（地址7Fh）是一个8位寄存器，用于设置保护电路的过压、充电过流、放电过流和短路阈值。通过对这些位的编程，可以根据不同的电池和应用需求调整保护阈值。

其他寄存器

除了上述寄存器外，DS2784还包括电压寄存器、温度寄存器、电流寄存器、平均电流寄存器、累积电流寄存器等，用于存储电池的各种测量数据和状态信息。这些寄存器的合理配置和使用，为工程师实现电池的精确管理提供了有力支持。

七、测量功能

电压测量

DS2784每440ms对VIN引脚相对于VSS的电池电压进行一次测量，测量范围为0至4.6V，分辨率为4.88mV。测量值以二进制补码形式存储在电压寄存器中，并每440ms更新一次。当电压超过寄存器的最大值或最小值时，会以最大值或最小值进行报告。

温度测量

温度测量采用集成温度传感器，分辨率为0.125°C，每440ms更新一次温度寄存器的值。温度和电池电压测量使用同一个ADC，因此测量值是220ms的平均值，每440ms更新一次。

电流测量

电流测量通过测量低阻值电流检测电阻RSNS两端的电压降来实现，测量范围为±51.2mV。ADC以18.6kHz的采样率对输入进行差分采样，每个转换周期（3.52s）完成后更新电流寄存器的值。充电电流超过寄存器最大值时报告为7FFFh，放电电流低于寄存器最小值时报告为8000h。平均电流寄存器会报告前28s的平均电流值，每28s更新一次。

电流校正

为了提高测量精度，DS2784会进行电流偏移校正和增益调整。每1024次转换时，ADC会测量其输入偏移，以进行偏移校正，校正因子会应用于后续的1023次测量。同时，通过RSGAIN寄存器可以调整电流测量增益，该寄存器在工厂进行校准，用户也可以在模块或电池组制造后重新编程，以校正外部检测电阻的标称值变化。此外，还可以通过设置RSTC寄存器对检测电阻进行温度补偿，以提高在高温环境下的测量准确性。

八、容量估算算法

模型构建

为了准确估算电池的剩余容量，DS2784采用了FuelPack方法，结合电池在不同温度、负载电流和充电终止点的性能特性，构建了电池模型。该模型包括三条曲线：满电曲线、活动空电曲线和待机空电曲线，每条曲线由5条线段组成。通过查找表的方式，根据当前温度和电池状态，从模型中获取相应的容量信息。模型中的参数存储在电池参数EEPROM块中，包括各曲线的斜率、断点温度等。

容量估算操作

在容量估算过程中，DS2784会根据实时测量的电压、温度和电流值，结合存储的电池特性参数和应用操作限制，计算电池的剩余容量。具体操作包括老化估算、学习功能和ACR管理等。

• 老化估算：通过AS寄存器的值，根据累积放电情况对电池容量进行调整。当ACR寄存器在每次放电周期中递减时，内部计数器会递增，当计数器等于32倍的AC时，AS寄存器会递减1，从而使电池的满电容量按比例减小。通过调整AC寄存器的值，可以自定义老化估算速率。
• 学习功能：由于锂离子电池的充电效率接近100%，从已知的空电点到满电点的充电过程可以可靠地测量电池容量。当检测到活动空电点时，学习标志（LEARNF）会被设置，随后开始充电，直到电池充满。此时，LEARNF会被清除，充电到满电（CHGTF）标志会被设置，并且会根据学习到的电池容量调整年龄标量（AS）。
• ACR管理：ACR（累积电流寄存器）的值会定期调整，以确保电量计数在模型曲线的边界内。当电池充满时，ACR会被设置为当前温度下的年龄缩放满电查找值。当检测到空电条件时，ACR的调整会根据具体情况进行判断。

满电和空电检测

满电检测通过监测电池电压和平均电流来实现。当电压读数连续高于充电电压（VCHG）阈值，且两个连续的平均电流读数低于终止电流（IMIN），并且平均电流为正且非零（> 16 LSB）时，会检测到电池充满，并设置CHGTF标志。

活动空电点检测通过监测电压寄存器和电流读数来实现。当电压寄存器的值低于VAE阈值，且前两个电流读数为负且大于IAE时，会检测到活动空电点，并设置LEARNF标志。

状态寄存器

状态寄存器（地址01h）包含多个位，用于报告设备的状态。其中，CHGTF、AEF、SEF和LEARNF位为只读位，分别表示充电终止、活动空电、待机空电和学习标志；UVF和PORF位可以通过写入零来清除，分别表示欠压和上电复位标志。这些标志位为用户提供了电池状态的重要信息，方便进行电池管理和控制。

结果寄存器

DS2784每3.5s处理一次测量数据和电池特性数据，并产生七个结果寄存器，包括FULL(T)、AE(T)、SE(T)、RAAC、RSAC、RARC和RSRC。这些寄存器提供了电池在当前温度下的满电容量、活动空电容量、待机空电容量、剩余活动绝对容量、剩余待机绝对容量、剩余活动相对容量和剩余待机相对容量等信息，用户可以直接使用这些信息进行显示或进一步的系统处理。

九、认证功能

认证原理

DS2784采用FIPS - 180兼容的SHA - 1单向哈希算法进行认证。认证过程基于一个512位的消息块，包括64位密钥、64位挑战和384位常量数据。主机和DS2784都会根据共同的密钥计算消息认证码（MAC），通过比较两者的MAC值来验证电池的身份。密钥不会在总线上传输，因此可以有效防止密钥被窃取。

认证命令

DS2784提供了多种认证命令，包括写入挑战（Write Challenge）、计算MAC（Compute MAC）和计算下一个密钥（Compute Next Secret）等。写入挑战命令用于向DS2784写入64位挑战，计算MAC命令用于计算消息块的哈希值并返回160位的MAC，计算下一个密钥命令用于生成新的密钥。这些命令的使用需要遵循特定的时序和操作流程，以确保认证的准确性和可靠性。

密钥管理

为了确保密钥的安全性，DS2784还提供了密钥管理功能，包括清除密钥（Clear Secret）和锁定密钥（Lock Secret）。清除密钥命令将64位密钥设置为全0，锁定密钥命令将密钥写入保护，防止意外或恶意覆盖密钥值。

十、1 - Wire总线系统

系统概述

1 - Wire总线是一种单主多从的通信系统，DS2784作为从设备与主机进行通信。该系统包括64位网络地址、CRC生成、硬件配置、事务序列和1 - Wire信号等方面。

64位网络地址

每个DS2784都有一个唯一的、工厂编程的64位1 - Wire网络地址，包括8位家族码、48位序列号和8位CRC。该地址用于设备的识别和通信