LTC2944库仑计芯片使用说明书（中文版）.pdf-资料库

LTC2944 库仑计芯片使用说明书（中文版）胡伟注：本说明书翻译自 ADI 半导体发布的 LTC2944 数据手册，译者只翻译了其中的核心部分—操作和应用信息。某些地方加注了译者自己的理解，若有偏差，可自行查阅原英文手册比对。前面的特点、描述、应用、引脚配置、电气特性、时序图、模块图等部分，可自己查看原英文数据手册。由于译者水平有限，如有翻译不当之处敬请指正，谅解。操作说明综述 LTC2944 是一款专为终端电压从 3.6V 到 60V 的多芯电池组设计的电池电量计。它可以测量电池的充放电、电池电压、电流和自身温度。这是一款精确的模拟库仑计，通过电池正极和负载或充电器之间的采样电阻对电流进行积分。电池电压、电池电流和芯片温度这些均由内部 ADC 测量。库仑计电荷是指对电流的时间积分。LTC2944 通过检测采样电阻上产生的电压来测量电荷。 SENSE+ 和 SENSE- 之间的差分电压被施加到自动调零的差分模拟积分器以推断电荷。当积分器输出斜坡至 REFHI 或 REFLO 电平时（参考高电平、参考低电平），开关 S1、 S2、 S3 和 S4 切换以反转斜坡方向 (图 2)。通过观察开关状态和斜坡方向来确定极性。此方法还显著降低了对模拟积分器偏置的影响，正如差分偏置电压部分所述。可编程预分频器通过可编程的 M 系数（从 1 到 4096）有效地增加积分时间。在预分频器的每次下溢或上溢时，累计电荷寄存器 (ACR) 值递增或递减一次。累计电荷值通过 IIC 接口读取。电压、电流和温度 ADC LTC2944 包括一个 14 位无延迟 ΔΣ 模数转换器，并带有内部时钟和电压基准电路。 ADC 可用于监测采样电阻的电池电压或流经采样电阻的电池电流，或转换输出温度传感器所测得的温度。电压、电流和温度的转换通过 IIC 接口对控制寄存器进行编程来触发。LTC2944 有一种扫描模式，在这种模式下，电压、电流和温度的测量每 10 秒进行一次。每次测量结束时，相应的寄存器都会更新，转换器会进入休眠状态以降低静态电流。温度传感器产生的电压与温度成正比，斜率为 2 mV/K，在 27°C 时产生 600 mV 的电压。上电顺序当 SENSE+上升到约 3.3V 的阈值以上时， LTC2944 会产生内部上电复位 (POR) 信号，并

将所有寄存器设置为默认状态。在默认状态下，当电压、电流和温度 ADC 关闭时，库仑计处于激活状态。累计电荷寄存器设置为中档 (7FFFh) ，所有低阈值寄存器均设置为 0000h ，所有高阈值寄存器均设置为 FFFFh 。使能报警模式，库仑计预分频系数 M 设置为 4096。应用信息内部寄存器 LTC2944 的寄存器如表 1 所示。 LTC2944 通过采样电阻对电流进行积分、测量电池电压、电流和温度，并将结果存储在可通过 IIC 访问的内部 16 位寄存器中。可以对每个测量量设置上下限。 LTC2944 持续监测这些限值，并在超过限值时将状态寄存器中的相关标志位置 1。如果启用了报警模式，则 ALCC 引脚拉低。充电、电压、电流和温度报警的状态报告在表 2 所示的状态寄存器中。在每次电压、电流或温度转换后，将转换结果与各自的阈值寄存器进行比较。如果超过阈值寄存器中的值，则将相应的位 A[6]、 A[4]或 A[1]置 1。每次模拟积分器递增或递减预分频器时，累积电荷寄存器 (ACR)都会与电荷阈值进行比较。如果 ACR 值超过阈值寄存器值，则对应 A[3] 或 A[2] 被置 1。如果累计电荷寄存器 (ACR)上溢或下溢，则 A[5]置 1。在每次上溢或下溢时，ACR 都会翻转并恢复集成（没明白 “ 恢复集成 ” 的意思）。在工作期间，如果 SENSE+ 引脚上的电压降至 3.5V 以下而未达到 POR 电平，则状态寄存器 A[0] 的欠压锁定 (UVLO) 位被置位。关闭库仑计的模拟部分，同时保留寄存器中的值。电源电压恢复后，库仑计使用累积电荷寄存器中的存储值恢复积分值，但在 SENSE+小于 3.5V 时会丢失那些正在流动的电荷。所有状态寄存器位在被主机读取后被清零，但如果仍满足相应的报警条件，则可能会在下一次温度、电压、电流转换或电荷积分后被重新置位。

控制寄存器（B）对 LTC2944 的操作是通过对控制寄存器进行编程来控制。表 3 展示了 8 位控制寄存器 B[7： 0]的结构。流动电荷都不会被测量，且累计电荷寄存器的 1LSB 以下的任何电荷信息都会丢失。报警/充电完成配置 B[2：1] ALCC 引脚是由控制寄存器配置的双功能引脚。通过将位 B[2：1]设为 [10](默认 )，ALCC 引脚配置为遵循 SMBus 协议的报警引脚。在此配置中，如果四个测量量 (电荷、电压、电流、温度 )中的一个超过其高低阈值，或者如果累计电荷寄存器的值上溢或下溢，则 ALCC 被拉低。主机启动的报警响应程序会重置 ALCC 引脚上的报警。如果 ALCC 引脚的配置因报警条件而拉低，则器件将继续拉低 ALCC ，直到主机发出成功的报警响应程序 (ARA)。有关详细信息，请参阅警报响应协议部分。将控制位 B[2 ： 1] 设置为 [01] 可将 ALCC 引脚配置为数字输入。在此模式下， ALCC 引脚上的低电平输入表示电池已满，且累计充电寄存器设置为最大值 FFFFh。如果既不需要报警功能，也不需要充电完成功能，则位 B[2：1]应设置为 [00]。然后， ALCC 引脚被禁用，并使用 10k 电阻连接到 IIC 总线的电源。避免将 B[2：1]设置为 [11]，因为它会同时启用报警和充电完成模式。选择采样电阻 Rsense 要达到库仑计的指定精度， SENSE+ 和 SENSE-之间的差压必须保持在 ±50 mV 以内。在输入信号高达 300 mV 的情况下， LTC2944 仍可正常工作，但库仑计的精度得不到保证。采样电阻 RVENSE 的值由 VSENSE 的最大输入范围和应用的最大电流决定：断电 B[0] 将 B[0] 设为 1 可关闭 LTC2944 的模拟部分，从而将电流降至 15μA 以下 ( 典型值 )。管理 IIC 通信的电路将会保持运行，并保留寄存器中的值。请注意， B[0] 为 1 时任何的采样电阻值的选择会影响库仑计的增益。对于相同的电流而言， SENSE+和 SENSE- 之间较大的采样电阻会提供更大的差压，从而实现更精确的库仑计数。由累计电荷 (寄存器 C、D)的最低有效位 (QLSB)表示的电荷量等于：

或当预分频器设置为其默认值 M=4096 时。请注意， 1mAh=3.6C(库仑 )。在电池容量 (QBAT) 与最大电流 (IMAX) 的比值非常大的时候，选择 RSENSE=50 mV/IMAX 这个值是不够的：对于这种电池容量大、电流小的应用，根据 RSENSE=50mV/IMAX 这个公式来选择 RSENSE 可能会导致 qLSB 小于 QBAT/2 1 6，并且 16 位累积电荷寄存器可能会在充电过程中电池耗尽或溢出之前发生下溢。在这种情况下，可选择的最大 RSENSE 为：举个例子：在你的应用中，当最大电流 Imax=100mA 时，使用 RSNSE=50mV/Imax 这个公式可得到采样电阻的阻值为 500mΩ 。通过公式可以计算得到 qLSB 为 34μAh，那么累计电荷寄存器可以计量的最大电池容量就为： QBAT=34μAh·65535=2228mAh。如果电池容量大于这个数，则必须减小 RSENSE 。例如使用的电池容量为 7200mAh ，那么 RSENSE 应减小至 150mΩ左右。库仑预分频系数 M 的选择 B[5：3] 如果电池容量 (QBAT) 小于最大电流 (IMAX)，则应该更改预分频器的默认值 M， M 的默认值为 4096。在这些电池容量小但电流较大的应用中，在电池容量方面， qLSB 可能会变得相当大（类似于分辨率，可测电量的最小单位变大，这里是相对于当前电池的容量而言，qLSB 变得较大）。例如，如果电池容量为 100mAh，最大电流为 1A ，则标准公式将导致选择的采样电阻值为 50MΩ，那么 qLSB 的结果为：那么电池总的容量仅对应于 294*qLSB （ 294 倍的 qLSB ），这还不到累积充电寄存器的 0.5%（ 294/65535）被利用，这导致电池电量的测量精度较低。为了在这种情况下保持数字分辨率， LTC2944 内置有一个可编程预分频器。通过降低预分频器系数 M 来降低 qLSB ，以使累计电荷寄存器与电池容量更好地匹配。预分频系数 M 可以在 1 至 4096 之间选择。那么 LSB 的值就变为：为了尽可能多地使用累积电荷寄存器的位数（共 16 位），对于确定的电池容量 QBAT 和采样电阻 RSENSE ，预分频器系数 M 的选择公式为：（ M 是有一系列的确定值，计算出来以后，需要对照这些值再来选取）通过将控制寄存器中 B[5：3]这 3 位设置为不同值（ M=22·(4·B[5]+2·B[4]+B[3])），可以将 M 设置为 1、4、16、...4096。默认值为 4096。在上述例子中，电池容量为 100mAh ，采

样电阻为 50mΩ ，预分频系数 M 设置 64 。计算可得 qLSB 为 5.313μAh ，那么电池容量大约为 18821*qLSB。上图 3 展示了电池容量 (QBAT) 与最大电流 (IMAX) 之比不同时，预分频系数 M 和采样电阻阻值的最佳选择。可以看出，对于小电池容量却有着大电流的应用，应减小预分频系数。而在大电池容量伴随小电流的应用中，相对于默认值 50 mV/IMAX，采样电阻应减小。 ADC 模式 B[7:6] LTC2944 有一个特点，就是 ADC 可通过内部温度传感器来测量 SENSE-( 电池电压 )上的电压、 SENSE+ 和 SENSE-( 电池电流 )之间的电压差或温度。ADC 的基准电压和时钟由内部产生。 ADC 有四种不同的工作模式，如表 3 所示。这些模式由控制寄存器的位 B[7：6]控制。上电时，位 B[7： 6]被设为 [00]， ADC 处于休眠模式。通过将位 B[7：6]设置为 [01]来启动三个测量量的单次转换。经过三次转换 (电压、电流和温度 ) 后， ADC 将 B[7 ： 6] 复位为 [00] 并回到休眠状态。通过将 B[7： 6]设置为 [10]，将 LTC2944 设置为扫描模式。在扫描模式下，ADC 在转换电压、电流和温度后，休眠大约 10 秒。然后自动唤醒并重复这三次转换。直到主机重新配置，否则芯片将一直保持扫描模式。通过将 B[7： 6]设置为 [11]，将 LTC2944 设置为自动模式，在该模式下，ADC 将连续执行电压、电流和温度的转换。在主机重新配置之前，芯片将一直保持自动模式。通过将 B[7：6]设置为 [00]，使 ADC 进入休眠状态。如果是正在执行转换过程中，控制位 B[7：6]被更改，那么 ADC 将会先完成当前转换的运行周期，然后再进入新的模式。电压转换需要 33ms(典型值 )，电流和温度转换需要 4.5ms( 典型值 ) 。每次转换结束时，相应的寄存器都会更新。如果转换量超过了阈值寄存器中的值，则将状态寄存器中相应的标志位置位，并将 ALCC 引脚拉低 (如果启用了报警模式 )。在 ADC 转换过程中， SENSE+ 和 SENSE- 会产生额外电流，详情请参阅电气特性表（电气特性表请参考原英文手册）。报警阈值寄存器(E、F、G、H、K、L、 M、N、Q、R、S、T、W、X) 对于每个测量分量而言 ( 电池电量、电压、电流和温度 )， LTC2944 都具有高低阈值寄存器。上电时，高阈寄存器被设置为 FFFFh，而低阈值寄存器被设置为 0000h，其效果是禁用它们。所有阈值均可通过 IIC 接口设置为期望值。如果通过 B[2： 1]使能了报警模式，那么一旦测量分量超过高阈值或低于低阈值，LTC2944 中的状态寄存器中的相应标志位将被置位，并把 ALCC 引脚拉低。累积电荷寄存器(C、D) LTC2944 中的库仑计电路通过对流过采样电阻的电流进行积分，然后将电荷积分的结果存储在 16 位累积电荷寄存器中 (寄存器 C、 D)。由于 LTC2944 并不知道电池上电时的实际状态，因此累积电荷寄存器 (ACR)被设置为中档 (7FFFh)。如果主机知道电池的状态，则可以通过 IIC 接口将累积电荷 (C[7：0]D[7： 0]) 值设置为正确值，也可以在充电至 FFFFh(满 )后通过拉低 ALCC 引脚来设置 (前提是通过位 B[2 ： 1] 使能了充电完成模式 )。注意，在写入累积电荷寄存器之前，应通过将 B[0] 设为 1 来暂时关闭模拟部分。以避免正在读取 MSB C[7： 0]和 LSB D[7： 0]寄存器时更改累积电荷寄存器，建议按图 11 所示顺序读取它们。电压寄存器(I、J)和电压阈值寄存器(K、 L、M、N) 在 SENSE – 端检测的 16 位 ADC 电压转换结果存储在电压寄存器 (I， J)中。根据 16 位电压寄存器 I[7 ： 0]J[7 ： 0] 中的结果，可得到测量电压为：

示例 1：寄存器值 I[7： 0]=B0h 和 J[7： 0]=1Ch，那么对应的 SENSE– 电压为：示例 2：如果要将电压阈值寄存器下限设置为 31.2V，那么寄存器 M 应设置为 70h，寄存器 N 应设置为 D0h。电流寄存器(O、P)和电流阈值寄存器 (Q、R、S、T) 电流转换的结果存储在电流寄存器 (O，P) 中。由于在电流模式下 ADC 分辨率为 12 位，因此电流寄存器 (O，P)的最低四位始终为零。 ADC 通过转换采样电阻 RSENSE 两端的电压 VSENSE 来测量电池电流。根据测量 RSENSE 上的压降是正的还是负的来判断电池是在充电还是放电。结果以超过 -32767 的表示形式存储在寄存器 O 和 P 中。 O[7： 0]=FFH， P[7： 0]=F0h 对应于满量程正电压 64 mV。当 O[7： 0]=00h，P[7：0]=00h 时，对应于满量程负电压 -64 mV。电池电流可从双字节寄存器 O[7： 0] 、 P[7 ： 0] 和所选采样电阻 RSENSE 的值获得：正电流在电池充电时测量，负电流在电池放电时测量。示例 1 ：寄存器值 O[7 ： 0]=A8h ， P[7 ： 0]=40h ，且采样电阻 RSENSE=50mΩ时，对应电池电流为：正电流结果表明电池正在充电。电流模式下阈值寄存器 Q、 R、 S、 T 中的值和当前转换结果以相同的方式（超过 -32767 ）来表示。如果当前的测量结果高于高阈值寄存器 Q、R 中的值或低于低值寄存器 S、 T 中的值，则在当前测量周期之后进行警报。示例 2：在实际应用中，如果 50mΩ的采样电阻中电流超过 1A 时，用户希望收到报警信号，那么可以通过将寄存器 [Q ， R] 中的上限 IHIGH 设置为 1A ，将寄存器 [S ， T] 中的下限阈值 ILOW 设置为 -1A 来实现。IBAT 的公式为：那么用户需要在高阈值寄存器设置 Q[7： 0]=E3h，R[7：0]=Feh，低阈值寄存器设置 S[7： 0]=1Bh 和 T[7： 0]=FFh。温度寄存器(U、V)和温度阈值寄存器 (W、X) 由于在温度模式下 ADC 的分辨率为 11 位，因此温度寄存器 (U 、 V) 的最低 5 位始终为零。实际温度可通过这两个寄存器 U[7 ： 0]V[7： 0]获得。示例：寄存器值 U[7：0]=96h，V[7：0]=96h 对应于温度为 300K 或 27°C。通过将寄存器 W 设置为 A7h 来设置 60°C 的温度上限。请注意，温度阈值寄存器为单字节寄存器，仅检查 11 位温度结果中的 8 个 MSB。差动偏置电压对总的电荷误差的影响在电池电量计中，一个重要的参数是电池充电监测电路的差分偏移量 (VOS)。很多的库仑计器件来执行 VSENSE 的模数转换，其中 VSENSE 是采样电阻上的压降，并对转换结果累积来推断总的电荷。在这种结构中，差分偏移量 VOS 就会导致 VOS/VSENSE 的相对电荷误差。对于较小的 VSENSE 值， VOS 可能是主要的误差来源。

LTC2944 使用模拟积分器来对电荷进行跟踪。该方法可以持续监控电池的电荷量，并显著降低了由于差分偏移所造成的误差。由差分偏移所引起的相对电荷误差 (CEOV) 可表示为：例如，在输入信号为 1 mV ，差分电压偏移量 Vos=20µV 时，会导致有 2%的数字积分误差，而采用 LTC2944 的模拟积分方式时误差仅为 0.04%(比数字积分小了 50 倍 )。之所以 LTC2944 中偏置对测量结果的影响减小，可以通过图 2 所示的积分方案来解释。正偏置会加速积分器的输出从 REFLO 到 REFHI 的上坡，但会减慢从 REFHI 到 REFLO 的下坡，因此这种影响在很大程度上被抵消了，如图 4 所示。当信号的绝对值小于内部运算放大器偏移量的输入信号时，LTC2944 会停止积分，而不会对其自身的偏移量进行积分。 IIC/SMBus 接口 LTC2944 使用兼容 IIC 和 SMBus 的 2 线总线接口与主机通信。 LTC2944 的 7 位硬编码 IIC 地址为 1100100，LTC2944 只能作为从机。串行时钟线 (SCL) 仅在串行数据线 (SDA) 为双向时输入。该器件支持 IIC 标准和快速模式。有关更多详细信息，请参阅 IIC 协议部分。 IIC 协议 LTC2944 采用与 IIC/SMBus 兼容的 2 线接口，支持多个器件挂接在单总线上。挂接在总线上的设备只能将总线拉低，而不能将总线拉高。总线通过电流源或上拉电阻从外部连接到高电平。当总线空闲时，两根线（ SCL ， SDA ）均为高电平。 IIC 总线上的数据在标准模式下的传输速率最高可达 100kbit/s，在快速模式下最高可达 400kbit/s。 IIC/SMBus 总线上挂接的每个器件的识别都是由该器件中存储的唯一地址来实现，每个器件既可以作为发射器，也可以作为接收器工作，具体取决于器件的功能。除了作为发射器和接收器之外，这些设备在执行数据传输时还可以分为主机或从机。主机就是在总线上发起数据传输并产生时钟信号以允许该传输的设备。同时，任何设备都可视为从机。而 LTC2944 始终充当从机角色。图 5 可以看出 IIC 总线上的数据传输概述。启动和停止条件当总线空闲时， SCL 和 SDA 都为高电平。当 SCL 为高时，主机通过将 SDA 从高转换到低来发出具有启动条件的传输开始信号。当主机与从机的通信完成后， SCL 为高电平时，主机通过将 SDA 从低电平转换为高电平来发出停止信号。这时总线处于空闲状态，便可以进行下一次的传输了。当总线正在使用时，如果产生重复启动 (SR) 信号而不是停止信号，则总线将一直保持工作状态。重复启动 (Sr)条件在实现上与启动条件 (S)相同。

写入协议警报响应协议主机在启动信号后开始进行写入操作，随后是 7 位从机地址 1100100，读 /写位设为 0，如图 6 所示。 LTC2944 通过拉低 SDA 来发出应答信号，然后主机发送一个命令字节，指示主机要写入到从机的哪个寄存器。 LTC2944 发出应答并将命令字节锁存到其内部寄存器中。主机传送数据字节，LTC2944 再次应答并锁存数据到指定的寄存器中。当主机发送停止信号时，传输结束。如果主机继续发送第二个数据字节而不是停止信号， LTC2944 将再次确认，并且递增其地址指针，将第二个数据字节锁存到后续寄存器中，如图 7 所示。在多从机共享一条公共中断线的系统中，主机可以使用警报响应地址 (ARA)来确定是哪个器件发起了中断 (图 10)。主机以启动信号和特殊的 7 位 ARA 总线地址 (0001100)来启动 ARA 程序，后跟读取位 (R)=1。如果 LTC2944 在报警模式下置位 ALCC 引脚，则它通过发送其 7 位总线地址 (1100100) 和 0 来应答。在发送地址时，它会监控 SDA 引脚，来查看是否有另一个器件正在使用标准 IIC 总线仲裁来同时发送地址。如果 LTC2944 在 SCL 上升沿，SDA 发送 1 且读取到 0 ，假设发送的是地址较低的另一个器件， LTC2944 立即中止传输，并等待下一个 ARA 周期重试。如果传输成功完成，LTC2944 将停止拉下 ALCC 引脚，并且不会响应进一步的 ARA 请求，直到发生新的报警事件。读取协议主机以起始信号开始读操作，随后是 7 位从机地址 1100100，读 /写位设为 0，如图 8 所示，LTC2944 发出应答信号。主机发送命令字节，指示主机要读取哪个寄存器， LTC2944 应答，然后锁存命令字节到其内部寄存器。然后，主机再次发送启动信号，后面跟这相同的 7 位地址，读 /写位现在设置为 1。LTC2944 应答并发送主机所请求寄存器的内容。当主机发送停止信号时，传输结束。如果主机对从机发送的数据字节进行应答，那么 LTC2944 会递增其地址指针，并继续发送后续寄存器的内容，如图 9 所示。

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