低功耗利器：DS2746电池监测芯片详解

在电子设备的设计中，电池容量监测是一个至关重要的环节。尤其是在成本敏感的应用场景下，选择一款合适的电池监测芯片能有效提升产品的性能和竞争力。今天，我们就来深入了解一下Maxim公司的DS2746芯片，看看它是如何实现高效、精准的电池容量监测的。

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一、DS2746概述

DS2746是一款专为成本敏感型应用设计的系统侧电池容量监测芯片。它通过2线接口向主机处理器提供电压、双向电流和累积电流测量数据。偏移偏置和偏移消隐功能大大提高了库仑计数器的精度。此外，该芯片还有两个辅助A/D输入，可用于采样电池组识别电阻、热敏电阻或其他电压源，测量结果以电源电压的比例分数形式报告，消除了与电源相关的误差。

主要特性

• 高精度电流测量：具备14位双向电流测量能力，LSB为6.25μV，动态范围为±51.2mV。当(R_{SNS}=15mΩ)时，LSB为416.7μA，范围为±3.4A。
• 高分辨率电压测量：11位电池电压测量，LSB为2.44mV，输入范围为0V至4.5V，在3.6V输入时精度为±10mV。
• 辅助输入测量：两个11位辅助输入电压测量，比例输入消除电源误差，(V_{OUT})驱动分压器，降低功耗，精度为±8 LSB。
• 低功耗设计：典型工作电流为70μA，最大100μA；睡眠电流典型值为1μA，最大3μA。

二、应用领域

DS2746的应用范围非常广泛，常见于以下设备：

• 无线手持设备：如2.5G/3G无线手机、PDA/智能手机等。
• 数码影像设备：包括数码相机和数码摄像机。
• 手持计算机和终端：为这些设备提供精确的电池容量监测。

三、电气特性

绝对最大额定值

• 电压范围：任何引脚相对于地的电压范围为 -0.3V至 +6V。
• 温度范围：工作温度范围为 -40°C至 +85°C，存储温度范围为 -55°C至 +125°C。
• 焊接温度：需参考IPC/JEDEC J - STD - 020A标准。

推荐直流工作条件

在(V{DD}=2.5V)至4.5V，(T{A}=-20^{circ}C)至 +70°C的条件下，各引脚的电压范围如下：	参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
电源电压	(V_{DD})		+2.5		+4.5	V
数据I/O引脚	SCL, SDA		-0.3		+5.5	V
可编程I/O引脚	PIO		-0.3		+5.5	V
(V_{IN}), AIN0, AIN1引脚	(V_{IN}), AIN0, AIN1		-0.3		(V_{DD}) + 0.3	V

DC电气特性

在上述工作条件下，芯片的各项电气特性参数如下：	参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
工作电流	(I_{ACTIVE})			70	100	μA
		(V_{DD}=4.5V)			105	μA
睡眠模式电流	(I_{SLEEP})	(V{DD}=2.0V), SCL, SDA = (V{ss})		0.5	1.0	μA
		SCL, SDA = (V_{ss})		1	3	μA
电流分辨率	(I_{LSB})			6.25		μV
电流满量程	(I_{FS})		±51.2			mV
电流偏移	(I_{OERR})		-12.5		+12.5	μV
电流增益误差	(I_{GERR})		-1.5		+1.5	% of reading
时基精度		(V_{DD}=3.6V) at +25°C	-1		+1	%
		(T_{A}=0^{circ}C) to +70°C	-2		+2	%
		(T_{A}=-20^{circ}C) to +70°C	-3		+3	%
电压误差	(V_{GERR})	(V{DD}=V{IN}=3.6V)	-10		+10	mV
			-20		+20	mV
输入电阻 (V_{IN}), AIN0, AIN1	(R_{IN})		15			MΩ
AIN0, AIN1误差	(AIN_{GERR})		-8		+8	LSB
(V_{OUT})输出驱动		(I_{O}=1mA)	(V_{DD}) - 0.1			V
(V_{OUT})预充电时间	(t_{PRE})	(V_{ODIS}) bit = 0	13.3		14.2	ms
输入逻辑高：SCL, SDA	(V_{IH})		1.5			V
输入逻辑低：SCL, SDA	(V_{IL})				0.6	V
输出逻辑低：SDA	(V_{OL})	(I_{OL}=4mA)			0.4	V
下拉电流：SCL, SDA	(I_{PD})	(V{DD}=4.2V), (V{PIN}=0.4V)	0.2			μA
输入电容：SCL, SDA	(C_{BUS})		50		pF
总线低超时时间	(t_{SLEEP})		2.2		s

2线接口电气特性

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
SCL时钟频率	(f_{SCL})		0		400	KHz
停止和起始条件之间的总线空闲时间	(t_{BUF})		1.3			μs
重复起始条件的保持时间	(t_{HD:STA})		0.6			μs
SCL时钟的低电平周期	(t_{LOW})		1.3			μs
SCL时钟的高电平周期	(t_{HIGH})		0.6			μs
重复起始条件的建立时间	(t_{SU:STA})		0.6			μs
数据保持时间	(t_{HD:DAT})		0		0.9	μs
数据建立时间	(t_{SU:DAT})		100			ns
SDA和SCL信号的上升时间	(t_{R})		20 + 0.1(C_{B})		300	ns
SDA和SCL信号的下降时间	(t_{F})		20 + 0.1(C_{B})		300	ns
停止条件的建立时间	(t_{SU:STO})		0.6			μs
输入滤波器抑制的尖峰脉冲宽度	(t_{SP})		0		50	ns
每条总线的电容负载	(C_{B})				400	pF
SCL, SDA输入电容	(C_{BIN})				60	pF

四、引脚描述

引脚	名称	功能
1	AIN1	辅助电压输入1
2	AIN0	辅助电压输入0
3	SCL	串行时钟输入，2线时钟线
4	SDA	串行数据输入/输出，开漏2线数据线
5	SNS	电流检测输入，连接到检测电阻的手机侧
6	(V_{SS})	设备接地，连接到检测电阻的电池侧
7	CTG	连接到地，连接到检测电阻的电池侧
8	(V_{OUT})	电压输出，为辅助输入电压测量分压器供电
9	(V_{IN})	电池电压输入，通过此引脚测量电池组电压
10	(V_{DD})	电源输入，输入范围2.5V至4.5V
PAD	PAD	外露焊盘，连接到(V_{SS})

五、工作模式

1. 工作模式

DS2746有两种工作模式：活动模式和睡眠模式。

• 活动模式：芯片作为高精度电池监测器，持续进行电压、辅助输入、电流和累积电流测量，并将结果更新到测量寄存器中，允许对所有寄存器进行读写操作。
• 睡眠模式：芯片处于低功耗状态，无测量活动。

2. 模式转换条件

• 从睡眠模式转换到活动模式：当((SCL > V{IH})) 或 ((SDA > V{IH})) 时，DS2746从睡眠模式转换到活动模式。
• 从活动模式转换到睡眠模式：当 (SMOD = 1) 且 ((SCL < V{IL})) 且 ((SDA < V{IL})) 持续 (t_{SLEEP}) 时间时，DS2746从活动模式转换到睡眠模式。

需要注意的是，如果 (SMOD = 1)，SCL和SDA上需要上拉电阻，以确保电池充电时DS2746能从睡眠模式转换到活动模式，否则芯片将一直处于睡眠模式，无法累积充电电流。

六、测量序列

1. 电流测量

DS2746在活动模式下，通过测量连接在SNS和(V{SS})引脚之间的低阻值电流检测电阻(R{SNS})上的电压降，持续测量电池的充放电电流。电流测量分辨率为13位加符号位，每878ms更新一次电流寄存器，记录该时间段的平均电流值。

2. 电压测量

所有电压测量分辨率为11位加符号位。DS2746按顺序依次测量(V{IN})、AIN0和AIN1，每个输入的电压测量需要220ms完成，一个完整的电压测量序列需要660ms。在AIN0测量前，(V{OUT})会有一个预充电时间(t{PRE})，只要(V{ODIS})（输出禁用）位清零，(V_{OUT})引脚在整个AIN0和AIN1测量序列中都保持启用状态。

七、寄存器功能

1. 电压寄存器

电池电压在(V{IN})输入处相对于(V{SS})进行测量，范围为0V至4.997V（受(V_{DD})引脚电压限制），分辨率为2.44mV。结果每660ms更新一次，记录最后220ms的平均电压，并以二进制补码形式存储在电压寄存器中。

2. 辅助输入寄存器

DS2746允许测量两个辅助输入AIN0和AIN1相对于(V_{SS})的电压。这些输入用于测量电阻比，特别适用于测量热敏电阻或电池组识别电阻。每个辅助输入测量每660ms更新一次，记录220ms转换周期内的平均电压，并以二进制补码形式存储在AIN0和AIN1寄存器中。

3. 电流寄存器

电流测量结果以二进制补码形式存储在电流寄存器中，每878ms更新一次。不同的检测电阻(R_{SNS})对应不同的电流分辨率和范围，具体如下：	(R_{SNS})	电流分辨率 (1 LSB)	电流输入范围
20mΩ	6.25μV / 312.5μA	±2.56A
15mΩ	416.7μA	±3.41A
10mΩ	625μA	±5.12A
5mΩ	1.25mA	±10.24A

4. 累积电流寄存器 (ACR)

ACR作为一个上下计数器，记录电池中存储的电荷量。每次电流测量转换完成后，电流测量结果加上可编程偏置值会在内部累加，并显示在ACR中。ACR的范围为0mVh至 +409.6mVh，LSb为6.25μVh。不同检测电阻下ACR的动态范围如下：	(R_{SNS})	ACR范围
20mΩ	20.48Ah
15mΩ	27.31Ah
10mΩ	40.96Ah
5mΩ	81.92Ah

5. 电流偏移偏置寄存器 (COBR)

COBR允许将可编程偏移值添加到原始电流测量中，结果显示在电流寄存器中，并用于电流累积。COBR可以校正静态偏移误差，也可以有意改变电流结果和累积值。COBR可在1.56μV的步长内编程，取值范围为 +198μV至 -200μV。

6. 电流消隐功能

电流消隐功能在电流测量结果累积到ACR之前对其进行修改。当电流测量值（原始电流 + COBR）落在两个定义的范围内时，会有条件地进行电流消隐。第一个范围防止小于(100μV / R{SNS})的充电电流累积，第二个范围防止幅值小于(25μV / R{SNS})的放电电流累积。充电电流消隐始终执行，而放电电流消隐需要通过设置状态/配置寄存器中的NBEN位来启用。

7. 累积偏置寄存器 (ABR)

ABR允许将可编程偏移值添加到电流累积过程中。新的ACR值由电流寄存器值加上ABR再加上前一个ACR值得到。ABR可用于有意改变电流累积，以估计太小而无法测量的系统待机电流。ABR值不受电流消隐阈值的影响，可在6.25μV的步长内设置，取值范围为 +193.75μV至 -200μV。

8. 状态/配置寄存器

状态/配置寄存器可读写，部分位为只读。各比特位的功能如下：

• PORF：上电复位标志，指示初始上电，需用户手动清零以指示后续上电事件。
• SMOD：睡眠模式使能，值为1时允许芯片在SCL和SDA低电平持续(t_{SLEEP})时间时进入睡眠模式，默认值为1。
• NBEN：负消隐使能，值为1时启用幅值小于25μV的负电流消隐，默认值为1。
• (V_{ODIS})：(V{OUT})禁用，值为0时在AIN0转换开始前(t{PRE})时间驱动(V_{OUT})，在AIN1转换结束后禁用，默认值为0。
• AIN1：AIN1