深度解析DS2775/DS2776/DS2777/DS2778：集燃料計量、保護與認證于一體的芯片

在電池管理領域，精確的電量計量、可靠的電池保護以及有效的認證機制至關重要。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、功能以及應用場景。

文件下載：DS2776.pdf

產品概述

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。其中，DS2776/DS2778在具備DS2775/DS2777所有功能的基礎上，還支持基于SHA - 1的挑戰(zhàn) - 響應認證，大大提高了電池的安全性。

該系列芯片在4.0V至9.2V的電壓范圍內工作，可直接集成到由兩個Li+或Li - Poly電池組成的電池組中。除了用于電池補償和應用參數的非易失性存儲外，還提供16字節(jié)的EEPROM，供主機系統和/或電池組制造商存儲電池批次和日期跟蹤信息，以及系統和/或電池使用統計數據。

產品特性

高精度測量系統

芯片具備高精度的電壓、溫度和電流測量系統，通過庫侖計數、放電速率、溫度和電池特性等因素進行電池容量估算。同時，它還能在學習周期之間估算電池老化情況，使用低成本的感測電阻，并允許對增益和溫度系數進行校準。

可編程閾值

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

認證功能

DS2776/DS2778采用SHA - 1算法進行電池組認證，有效防止電池被非法使用，保障系統安全。

接口與存儲

提供Maxim 1 - Wire（DS2775/DS2776）或2 - 線（DS2777/DS2778）接口，用于串行通信，方便用戶訪問測量和容量數據寄存器、控制寄存器和用戶內存。此外，還擁有32字節(jié)的參數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模式。在睡眠模式下，根據溫度不同，電源電流IDD0在3 - 10μA之間；活動模式下，IDD1為80 - 135μA，在進行SHA - 1計算時，IDD2為120 - 300μA。

測量精度

溫度測量精度為±3°C，電壓測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，精度為±22mV。電流測量分辨率為1.56μV，滿量程為±51.2mV，電流增益誤差為±1% FS。

保護電路特性

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

工作模式

活動模式

上電后，芯片默認進入活動模式。在該模式下，芯片功能全面，測量和容量估算寄存器會持續(xù)更新，保護電路會實時監(jiān)測電池組、電池電壓和電池電流，確保電池安全。同時，SHA - 1認證功能也可正常使用。

睡眠模式

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

電池保護機制

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

過壓保護

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

欠壓保護

如果(VIN2 - VIN1)或(VIN1 - VSS)的平均電壓低于欠壓閾值VUV，并持續(xù)超過欠壓延遲時間tUVD，芯片會關閉充電和放電FET。如果UVEN位被設置，芯片還會進入睡眠模式。當檢測到充電器連接且VPLS > VIN2時，芯片會提供一個電流受限的恢復充電路徑，對嚴重耗盡的電池進行溫和充電。

過流保護

在充電方向，當VSNS小于充電過流閾值VCOC，并持續(xù)超過過流延遲時間tOCD時，芯片會關閉兩個外部FET；在放電方向，當VSNS超過放電過流閾值VDOC，并持續(xù)超過tOCD時，芯片會關閉外部放電FET。

短路保護

當VSNS超過短路閾值VSC，并持續(xù)超過短路延遲時間tSCD時，芯片會關閉外部放電FET，防止電池短路。

測量功能

電壓測量

電池電壓每440ms測量一次，最低電位電池VIN1相對于VSS測量，最高電位電池VIN2相對于VIN1測量。測量范圍為 - 5V至 + 4.9951V，分辨率為4.8828mV，測量結果以二進制補碼形式存儲在結果寄存器中。

溫度測量

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

電流測量

在活動模式下，芯片通過測量低阻值電流感測電阻RSNS兩端的電壓降來連續(xù)測量電池的流入和流出電流。電壓感測范圍為±51.2mV，最低有效位（LSb）為1.5625μV。ADC以18.6kHz的頻率對輸入進行差分采樣，并在每個轉換周期（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時測量值和存儲的電池特性及應用操作限制參數。通過構建電池模型，包括滿電量曲線、活動空電量曲線和待機空電量曲線，結合當前溫度、電流等因素，估算電池的剩余容量。

模型構建

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

容量計算

根據測量的電流和電池模型，計算電池的剩余容量，包括剩余活動絕對容量（RAAC）、剩余待機絕對容量（RSAC）、剩余活動相對容量（RARC）和剩余待機相對容量（RSRC）。

寄存器功能

保護寄存器

用于報告Li+安全電路檢測到的事件，同時可以控制充電和放電FET的開關。

狀態(tài)寄存器

包含報告設備狀態(tài)的位，如充電終止標志（CHGTF）、活動空標志（AEF）、待機空標志（SEF）和學習標志（LEARNF）等。

控制寄存器

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

過壓閾值寄存器

設置保護電路的過壓閾值，可通過特定公式計算Vov的值。

過流閾值寄存器

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

特殊功能寄存器

用于控制SHA計算狀態(tài)和PIO引腳的操作。

EEPROM寄存器

提供對EEPROM塊的訪問控制，可鎖定EEPROM塊以防止數據被修改。

通信接口

1 - Wire總線系統（DS2775/DS2776）

采用單總線系統，具有64位網絡地址、CRC生成、硬件配置、事務序列和1 - Wire信號等特點。主機可以通過不同的命令訪問芯片的功能，如讀取網絡地址、寫入數據、復制數據等。

2 - Wire總線系統（DS2777/DS2778）

支持作為從設備在單主或多主、單從或多從系統中工作。通過SDA和SCL線進行雙向通信，最高速度可達400kHz。主機可以通過不同的命令協議與芯片進行數據傳輸和功能操作。

認證功能

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

應用場景

DS2775/DS2776/DS2777/DS2778系列芯片廣泛應用于各種需要精確電池管理的設備中，如健康和健身監(jiān)測器、數碼靜態(tài)相機、視頻和運動相機、醫(yī)療設備、手持計算機和終端、手持無線電、家庭和建筑自動化傳感器、智能電池和電動工具等。

總結

DS2775/DS2776/DS2777/DS2778系列芯片以其高精度的測量、可靠的保護機制和強大的認證功能，為電池管理提供了全面而有效的解決方案。無論是在消費電子、醫(yī)療設備還是工業(yè)應用中，都能發(fā)揮重要作用。作為電子工程師，我們在設計電池管理系統時，這款芯片無疑是一個值得考慮的選擇。大家在實際應用中是否遇到過類似芯片的使用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。