深度解析DS2775/DS2776/DS2777/DS2778：集燃料計(jì)量、保護(hù)與認(rèn)證于一體的芯片

在電池管理領(lǐng)域，精確的電量計(jì)量、可靠的電池保護(hù)以及有效的認(rèn)證機(jī)制至關(guān)重要。DS2775/DS2776/DS2777/DS2778系列芯片就是這樣一款集多種功能于一身的產(chǎn)品，為電池管理提供了全面的解決方案。今天，我們就來深入剖析這款芯片的特點(diǎn)、功能以及應(yīng)用場(chǎng)景。

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產(chǎn)品概述

DS2775 - DS2778系列芯片主要用于可充電鋰離子（Li+）和鋰聚合物（Li - Poly）電池，能夠精確報(bào)告電池的可用容量，單位為mAh，并以滿電量的百分比形式呈現(xiàn)。其中，DS2776/DS2778在具備DS2775/DS2777所有功能的基礎(chǔ)上，還支持基于SHA - 1的挑戰(zhàn) - 響應(yīng)認(rèn)證，大大提高了電池的安全性。

該系列芯片在4.0V至9.2V的電壓范圍內(nèi)工作，可直接集成到由兩個(gè)Li+或Li - Poly電池組成的電池組中。除了用于電池補(bǔ)償和應(yīng)用參數(shù)的非易失性存儲(chǔ)外，還提供16字節(jié)的EEPROM，供主機(jī)系統(tǒng)和/或電池組制造商存儲(chǔ)電池批次和日期跟蹤信息，以及系統(tǒng)和/或電池使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

產(chǎn)品特性

高精度測(cè)量系統(tǒng)

芯片具備高精度的電壓、溫度和電流測(cè)量系統(tǒng)，通過庫侖計(jì)數(shù)、放電速率、溫度和電池特性等因素進(jìn)行電池容量估算。同時(shí)，它還能在學(xué)習(xí)周期之間估算電池老化情況，使用低成本的感測(cè)電阻，并允許對(duì)增益和溫度系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

可編程閾值

支持可編程的過壓和過流閾值，用戶可以根據(jù)不同的電池和應(yīng)用需求進(jìn)行定制，確保電池在安全的范圍內(nèi)工作。

認(rèn)證功能

DS2776/DS2778采用SHA - 1算法進(jìn)行電池組認(rèn)證，有效防止電池被非法使用，保障系統(tǒng)安全。

接口與存儲(chǔ)

提供Maxim 1 - Wire（DS2775/DS2776）或2 - 線（DS2777/DS2778）接口，用于串行通信，方便用戶訪問測(cè)量和容量數(shù)據(jù)寄存器、控制寄存器和用戶內(nèi)存。此外，還擁有32字節(jié)的參數(shù)EEPROM和16字節(jié)的用戶EEPROM。

封裝形式

采用3mm x 5mm、14引腳的TDFN無鉛封裝，體積小巧，便于集成到各種設(shè)備中。

電氣特性

電源電流

芯片具有不同的電源電流模式，包括睡眠模式和活動(dòng)模式。在睡眠模式下，根據(jù)溫度不同，電源電流IDD0在3 - 10μA之間；活動(dòng)模式下，IDD1為80 - 135μA，在進(jìn)行SHA - 1計(jì)算時(shí)，IDD2為120 - 300μA。

測(cè)量精度

溫度測(cè)量精度為±3°C，電壓測(cè)量精度在不同條件下有所不同，例如在2.0V ≤ VIN1 ≤ 4.6V，2.0V ≤ (VIN2 - VIN1) ≤ 4.6V，TA = +25°C時(shí)，精度為±22mV。電流測(cè)量分辨率為1.56μV，滿量程為±51.2mV，電流增益誤差為±1% FS。

保護(hù)電路特性

芯片的保護(hù)電路能夠有效防止電池過壓、欠壓、過流和短路等情況。過壓檢測(cè)閾值可通過寄存器設(shè)置，例如VOV = 1110111b時(shí)，過壓檢測(cè)值為4.438 - 4.508V；欠壓檢測(cè)值可編程，如UV[1:0] = 10時(shí)，欠壓檢測(cè)值為2.415 - 2.485V。過流和短路檢測(cè)也有相應(yīng)的閾值和延遲時(shí)間，確保電池在異常情況下能夠及時(shí)得到保護(hù)。

工作模式

活動(dòng)模式

上電后，芯片默認(rèn)進(jìn)入活動(dòng)模式。在該模式下，芯片功能全面，測(cè)量和容量估算寄存器會(huì)持續(xù)更新，保護(hù)電路會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組、電池電壓和電池電流，確保電池安全。同時(shí)，SHA - 1認(rèn)證功能也可正常使用。

睡眠模式

芯片有兩種進(jìn)入睡眠模式的條件：總線低電平和欠壓。在睡眠模式下，芯片會(huì)禁用測(cè)量和容量估算功能，但保留寄存器內(nèi)容，以節(jié)省功耗。當(dāng)充電器連接或通信線路發(fā)生低到高的轉(zhuǎn)換時(shí)，芯片會(huì)退出睡眠模式。

電池保護(hù)機(jī)制

芯片在活動(dòng)模式下會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)SNS、VIN1、VIN2和PLS引腳，以保護(hù)電池免受各種異常情況的影響。

過壓保護(hù)

當(dāng)(VIN2 - VIN1)或(VIN1 - VSS)的電壓超過過壓閾值Vov，并持續(xù)超過過壓延遲時(shí)間tOVD時(shí)，CC引腳會(huì)被拉低，關(guān)閉外部充電FET，防止電池過充。當(dāng)電壓下降到充電使能閾值VCE以下時(shí)，CC引腳會(huì)被拉高，恢復(fù)充電。

欠壓保護(hù)

如果(VIN2 - VIN1)或(VIN1 - VSS)的平均電壓低于欠壓閾值VUV，并持續(xù)超過欠壓延遲時(shí)間tUVD，芯片會(huì)關(guān)閉充電和放電FET。如果UVEN位被設(shè)置，芯片還會(huì)進(jìn)入睡眠模式。當(dāng)檢測(cè)到充電器連接且VPLS > VIN2時(shí)，芯片會(huì)提供一個(gè)電流受限的恢復(fù)充電路徑，對(duì)嚴(yán)重耗盡的電池進(jìn)行溫和充電。

過流保護(hù)

在充電方向，當(dāng)VSNS小于充電過流閾值VCOC，并持續(xù)超過過流延遲時(shí)間tOCD時(shí)，芯片會(huì)關(guān)閉兩個(gè)外部FET；在放電方向，當(dāng)VSNS超過放電過流閾值VDOC，并持續(xù)超過tOCD時(shí)，芯片會(huì)關(guān)閉外部放電FET。

短路保護(hù)

當(dāng)VSNS超過短路閾值VSC，并持續(xù)超過短路延遲時(shí)間tSCD時(shí)，芯片會(huì)關(guān)閉外部放電FET，防止電池短路。

測(cè)量功能

電壓測(cè)量

電池電壓每440ms測(cè)量一次，最低電位電池VIN1相對(duì)于VSS測(cè)量，最高電位電池VIN2相對(duì)于VIN1測(cè)量。測(cè)量范圍為 - 5V至 + 4.9951V，分辨率為4.8828mV，測(cè)量結(jié)果以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在結(jié)果寄存器中。

溫度測(cè)量

芯片使用集成溫度傳感器測(cè)量電池溫度，分辨率為0.125°C，溫度測(cè)量每440ms更新一次，并以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在溫度寄存器中。

電流測(cè)量

在活動(dòng)模式下，芯片通過測(cè)量低阻值電流感測(cè)電阻RSNS兩端的電壓降來連續(xù)測(cè)量電池的流入和流出電流。電壓感測(cè)范圍為±51.2mV，最低有效位（LSb）為1.5625μV。ADC以18.6kHz的頻率對(duì)輸入進(jìn)行差分采樣，并在每個(gè)轉(zhuǎn)換周期（3.52s）完成后更新電流寄存器。

容量估算算法

芯片的容量估算算法使用實(shí)時(shí)測(cè)量值和存儲(chǔ)的電池特性及應(yīng)用操作限制參數(shù)。通過構(gòu)建電池模型，包括滿電量曲線、活動(dòng)空電量曲線和待機(jī)空電量曲線，結(jié)合當(dāng)前溫度、電流等因素，估算電池的剩余容量。

模型構(gòu)建

電池模型以+40°C的滿電狀態(tài)為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化，所有值存儲(chǔ)在電池參數(shù)EEPROM塊中。模型曲線由五個(gè)線段組成，每個(gè)線段的斜率和斷點(diǎn)溫度都可編程，以適應(yīng)不同電池的特性。

容量計(jì)算

根據(jù)測(cè)量的電流和電池模型，計(jì)算電池的剩余容量，包括剩余活動(dòng)絕對(duì)容量（RAAC）、剩余待機(jī)絕對(duì)容量（RSAC）、剩余活動(dòng)相對(duì)容量（RARC）和剩余待機(jī)相對(duì)容量（RSRC）。

寄存器功能

保護(hù)寄存器

用于報(bào)告Li+安全電路檢測(cè)到的事件，同時(shí)可以控制充電和放電FET的開關(guān)。

狀態(tài)寄存器

包含報(bào)告設(shè)備狀態(tài)的位，如充電終止標(biāo)志（CHGTF）、活動(dòng)空標(biāo)志（AEF）、待機(jī)空標(biāo)志（SEF）和學(xué)習(xí)標(biāo)志（LEARNF）等。

控制寄存器

可讀寫，用于設(shè)置各種功能的使能位，如負(fù)電流消隱使能（NBEN）、欠壓使能（UVEN）、電源模式使能（PMOD）等。

過壓閾值寄存器

設(shè)置保護(hù)電路的過壓閾值，可通過特定公式計(jì)算Vov的值。

過流閾值寄存器

通過RSGAIN寄存器的上半字節(jié)設(shè)置過流和短路閾值，確保電池在過流和短路情況下得到保護(hù)。

特殊功能寄存器

用于控制SHA計(jì)算狀態(tài)和PIO引腳的操作。

EEPROM寄存器

提供對(duì)EEPROM塊的訪問控制，可鎖定EEPROM塊以防止數(shù)據(jù)被修改。

通信接口

1 - Wire總線系統(tǒng)（DS2775/DS2776）

采用單總線系統(tǒng)，具有64位網(wǎng)絡(luò)地址、CRC生成、硬件配置、事務(wù)序列和1 - Wire信號(hào)等特點(diǎn)。主機(jī)可以通過不同的命令訪問芯片的功能，如讀取網(wǎng)絡(luò)地址、寫入數(shù)據(jù)、復(fù)制數(shù)據(jù)等。

2 - Wire總線系統(tǒng)（DS2777/DS2778）

支持作為從設(shè)備在單主或多主、單從或多從系統(tǒng)中工作。通過SDA和SCL線進(jìn)行雙向通信，最高速度可達(dá)400kHz。主機(jī)可以通過不同的命令協(xié)議與芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和功能操作。

認(rèn)證功能

DS2776/DS2778的認(rèn)證功能采用FIPS 180兼容的SHA - 1單向哈希算法，對(duì)512位消息塊進(jìn)行計(jì)算。主機(jī)和芯片通過共享的密鑰計(jì)算消息認(rèn)證碼（MAC），并進(jìn)行比較，確保電池的合法性。

應(yīng)用場(chǎng)景

DS2775/DS2776/DS2777/DS2778系列芯片廣泛應(yīng)用于各種需要精確電池管理的設(shè)備中，如健康和健身監(jiān)測(cè)器、數(shù)碼靜態(tài)相機(jī)、視頻和運(yùn)動(dòng)相機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、手持計(jì)算機(jī)和終端、手持無線電、家庭和建筑自動(dòng)化傳感器、智能電池和電動(dòng)工具等。

總結(jié)

DS2775/DS2776/DS2777/DS2778系列芯片以其高精度的測(cè)量、可靠的保護(hù)機(jī)制和強(qiáng)大的認(rèn)證功能，為電池管理提供了全面而有效的解決方案。無論是在消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備還是工業(yè)應(yīng)用中，都能發(fā)揮重要作用。作為電子工程師，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)時(shí)，這款芯片無疑是一個(gè)值得考慮的選擇。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似芯片的使用問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。