深度剖析DS2740高精度庫(kù)侖計(jì)數(shù)器

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電池容量至關(guān)重要。DS2740作為一款高精度庫(kù)侖計(jì)數(shù)器，為成本敏感型應(yīng)用提供了可靠的電池容量監(jiān)測(cè)解決方案。下面，我們就來詳細(xì)了解一下DS2740的各項(xiàng)特性和功能。

文件下載：DS2740.pdf

一、DS2740的主要特性

1. 高精度電流測(cè)量

DS2740有兩種型號(hào)，DS2740U提供15位雙向電流測(cè)量，DS2740BU提供13位雙向電流測(cè)量。不同型號(hào)搭配不同阻值的外部感測(cè)電阻（(R_{SNS})），可以實(shí)現(xiàn)不同的電流分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。

• DS2740U：LSB為1.56μV，動(dòng)態(tài)范圍±51.2mV；搭配20mΩ的(R{SNS})時(shí)，LSB為78μA，動(dòng)態(tài)范圍±2.56A；搭配10mΩ的(R{SNS})時(shí)，LSB為156μA，動(dòng)態(tài)范圍±5.12A。
• DS2740BU：LSB為6.25μV，動(dòng)態(tài)范圍±51.2mV；搭配20mΩ的(R{SNS})時(shí)，LSB為312μA，動(dòng)態(tài)范圍±2.56A；搭配10mΩ的(R{SNS})時(shí)，LSB為625μA，動(dòng)態(tài)范圍±5.12A。

2. 模擬輸入濾波

通過在IS1和IS2引腳之間添加電容，可以對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，擴(kuò)展脈沖負(fù)載應(yīng)用的動(dòng)態(tài)范圍。外部電容和兩個(gè)內(nèi)部電阻在ADC輸入處形成低通濾波器，允許輸入轉(zhuǎn)換高達(dá)102mV的峰值信號(hào)幅度，只要連續(xù)或平均信號(hào)電平（濾波后）在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)不超過±51.2mV。

3. 電流累積寄存器

DS2740U和DS2740BU的電流累積寄存器分辨率均為6.25μVhr。搭配20mΩ的(R{SNS})時(shí)為0.3125mAhr，搭配10mΩ的(R{SNS})時(shí)為0.6250mAhr。

4. 1-Wire接口

采用Dallas 1-Wire?接口，每個(gè)設(shè)備都有唯一的64位設(shè)備地址，支持標(biāo)準(zhǔn)和過驅(qū)動(dòng)時(shí)序（OVD）。

5. 低功耗

• 活動(dòng)電流最大為65μA。
• 睡眠電流最大為1μA。

二、引腳配置與描述

1. 引腳配置

2. 引腳描述

• OVD：1-Wire總線速度選擇，邏輯1選擇過驅(qū)動(dòng)（OVD），邏輯0選擇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序（STD）。
• PIO：可編程I/O引腳，可通過內(nèi)部寄存器編程為輸入或輸出。
• SNS：感測(cè)電阻輸入。
• IS2：電流感測(cè)輸入，通過10kΩ電阻連接到SNS，可通過外部電容對(duì)電流波形進(jìn)行濾波。
• IS1：電流感測(cè)輸入，通過10kΩ電阻連接到VSS，可通過外部電容對(duì)電流波形進(jìn)行濾波。
• VSS：設(shè)備接地，電流感測(cè)電阻返回，直接連接到電池單元的負(fù)極。
• DQ：數(shù)據(jù)輸入/輸出，雙向操作，帶有開漏輸出驅(qū)動(dòng)器。
• VDD：電源輸入，連接到系統(tǒng)電壓源或電池單元的正極，電壓范圍為2.7V至5.5V。

三、電源模式

DS2740有活動(dòng)和睡眠兩種電源模式。

1. 活動(dòng)模式

DS2740作為高精度庫(kù)侖計(jì)數(shù)器運(yùn)行，電流和累積電流測(cè)量模塊持續(xù)工作，測(cè)量結(jié)果更新到測(cè)量寄存器中。可以對(duì)所有寄存器進(jìn)行讀寫操作，PIO引腳處于活動(dòng)狀態(tài)。

2. 睡眠模式

DS2740處于低功耗模式，無電流測(cè)量活動(dòng)。當(dāng)(V_{DD}>2V)時(shí)，允許對(duì)電流、累積電流和狀態(tài)/控制寄存器進(jìn)行串行訪問。

3. 模式轉(zhuǎn)換

• 從睡眠模式轉(zhuǎn)換到活動(dòng)模式的條件：(DQ>V{IH})且(V{DD}>UV)閾值，或者(V_{DD})從低于UV閾值上升到高于UV閾值。
• 從活動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到睡眠模式的條件：(V{DD})下降到UV閾值，或者(SMOD = 1)且(DQ < V{IL})持續(xù)2s。

四、電流測(cè)量

在活動(dòng)模式下，DS2740通過測(cè)量低阻值電流感測(cè)電阻(R_{SNS})上的電壓降，持續(xù)測(cè)量電池的流入和流出電流。為了擴(kuò)展脈沖型負(fù)載電流的輸入范圍，可以在IS1和IS2引腳之間添加電容進(jìn)行濾波。ADC以18.6kHz的采樣時(shí)鐘對(duì)IS1和IS2的輸入進(jìn)行差分采樣，并在每個(gè)轉(zhuǎn)換周期完成后更新電流寄存器。 不同分辨率的轉(zhuǎn)換時(shí)間不同：

• DS2740U：轉(zhuǎn)換周期為3.5s，單位為1.5625μV/ (R_{SNS}) ，15位+符號(hào)分辨率。
• DS2740BU：轉(zhuǎn)換周期為0.875s，單位為6.250μV/ (R_{SNS}) ，13位+符號(hào)分辨率。

每1024次轉(zhuǎn)換，ADC會(huì)測(cè)量其輸入偏移以進(jìn)行偏移校正。DS2740U大約每小時(shí)進(jìn)行一次偏移校正，DS2740BU每小時(shí)進(jìn)行四次。校正因子應(yīng)用于隨后的1023次測(cè)量。為了減少誤差，在偏移轉(zhuǎn)換之前的電流測(cè)量值會(huì)顯示在電流寄存器中，并在電流累積過程中替代缺失的電流測(cè)量值。

五、電流累積器

電流測(cè)量值在每個(gè)轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時(shí)進(jìn)行內(nèi)部求和并累積，結(jié)果顯示在電流累積寄存器（ACR）中。ACR的精度取決于電流測(cè)量和轉(zhuǎn)換時(shí)基。ACR的范圍為±204.8mVh，LSb為6.25μVh。對(duì)ACR進(jìn)行讀寫操作時(shí)，分?jǐn)?shù)累積結(jié)果會(huì)被清除，同時(shí)會(huì)強(qiáng)制ADC測(cè)量其偏移并更新偏移校正因子。電流測(cè)量和累積從對(duì)ACR寫入后的第二次轉(zhuǎn)換開始。

六、存儲(chǔ)器

DS2740具有用于儀表、狀態(tài)和控制的寄存器存儲(chǔ)空間。讀取兩字節(jié)寄存器的MSB時(shí)，MSB和LSB會(huì)被鎖存，以確保在讀取過程中不會(huì)更新，并保證兩個(gè)寄存器字節(jié)之間的同步。強(qiáng)烈建議在同一讀取數(shù)據(jù)命令序列中同時(shí)讀取兩字節(jié)寄存器的MSB和LSB，以獲得一致的結(jié)果。

1. 狀態(tài)寄存器

• SMOD：睡眠模式使能，1允許DS2740在DQ低電平持續(xù)2s時(shí)進(jìn)入睡眠模式，0禁用與DQ相關(guān)的睡眠模式轉(zhuǎn)換，上電默認(rèn)值為0。
• RNAOP：讀取網(wǎng)絡(luò)地址操作碼，0設(shè)置讀取網(wǎng)絡(luò)地址命令的操作碼為33h，1設(shè)置為39h，上電默認(rèn)值為0。
• X：保留位。

2. 特殊功能寄存器

• PIO：PIO引腳感應(yīng)和控制，可讀寫。寫入0使能PIO開漏輸出驅(qū)動(dòng)器，將PIO引腳拉低；寫入1禁用輸出驅(qū)動(dòng)器，允許PIO引腳被拉高或用作輸入。讀取時(shí)返回PIO引腳的邏輯電平。初始上電、進(jìn)入睡眠模式或(DQ低電平>t_{SLEEP})（與SMOD引腳無關(guān)）時(shí)，PIO復(fù)位為1。
• X：保留位。

七、1-Wire總線系統(tǒng)

1. 64位網(wǎng)絡(luò)地址

每個(gè)DS2740都有一個(gè)唯一的、工廠編程的64位1-Wire網(wǎng)絡(luò)地址。前8位是1-Wire家族代碼（DS2740為36h），接下來48位是唯一的序列號(hào)，最后8位是前56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）。

2. CRC生成

DS2740的1-Wire網(wǎng)絡(luò)地址的最高有效字節(jié)中存儲(chǔ)著一個(gè)8位CRC。主機(jī)系統(tǒng)可以從地址的前56位計(jì)算CRC值，并與DS2740的CRC進(jìn)行比較，以確保地址的無差錯(cuò)傳輸。正確使用CRC可以使通信通道具有很高的完整性。

3. 硬件配置

• 1-Wire總線只有一條線，總線上的每個(gè)設(shè)備必須使用開漏或三態(tài)輸出驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)總線。DS2740使用開漏輸出驅(qū)動(dòng)器作為雙向接口電路的一部分。
• 1-Wire總線在總線主端必須有一個(gè)上拉電阻，對(duì)于短線路，電阻值約為5kΩ?？偩€的空閑狀態(tài)為高電平。如果總線事務(wù)需要暫停，總線必須保持在空閑狀態(tài)，以便后續(xù)正確恢復(fù)事務(wù)。
• DS2740可以在標(biāo)準(zhǔn)和過驅(qū)動(dòng)兩種通信速度模式下運(yùn)行，速度模式由OVD引腳的輸入邏輯電平?jīng)Q定，邏輯0選擇標(biāo)準(zhǔn)速度，邏輯1選擇過驅(qū)動(dòng)速度。在發(fā)起復(fù)位脈沖啟動(dòng)事務(wù)之前，OVD引腳必須保持穩(wěn)定的邏輯0或1電平。多節(jié)點(diǎn)總線上的所有1-Wire設(shè)備必須以相同的通信速度運(yùn)行。

4. 事務(wù)序列

通過1-Wire端口訪問DS2740的協(xié)議如下：初始化 -> 網(wǎng)絡(luò)地址命令 -> 功能命令 -> 事務(wù)/數(shù)據(jù)。

• 初始化：所有1-Wire總線事務(wù)都從初始化序列開始，總線主發(fā)送復(fù)位脈沖，隨后DS2740和其他從設(shè)備同時(shí)發(fā)送存在脈沖，告知總線主總線上有一個(gè)或多個(gè)設(shè)備準(zhǔn)備好操作。
• 網(wǎng)絡(luò)地址命令
  • Read Net Address [33h或39h]：允許總線主讀取DS2740的1-Wire網(wǎng)絡(luò)地址，僅適用于總線上只有一個(gè)從設(shè)備的情況。
  • Match Net Address [55h]：允許總線主指定總線上的一個(gè)DS2740，只有被尋址的設(shè)備會(huì)響應(yīng)后續(xù)的功能命令。
  • Skip Net Address [CCh]：當(dāng)總線上只有一個(gè)DS2740時(shí)，可節(jié)省時(shí)間，允許總線主直接發(fā)出功能命令而無需指定從設(shè)備地址。
  • Search Net Address [F0h]：允許總線主通過排除法識(shí)別總線上所有從設(shè)備的1-Wire網(wǎng)絡(luò)地址。
  • Resume [A5h]：在多節(jié)點(diǎn)環(huán)境中，當(dāng)需要多次訪問DS2740時(shí)，可提高數(shù)據(jù)吞吐量。
• 功能命令
  • Read Data [69h, XX]：從內(nèi)存地址XX開始讀取數(shù)據(jù)，地址自動(dòng)遞增，可讀取最多256字節(jié)的數(shù)據(jù)，可在任何位邊界通過復(fù)位脈沖終止。
  • Write Data [6Ch, XX]：從內(nèi)存地址XX開始寫入數(shù)據(jù)，地址自動(dòng)遞增，可寫入最多256字節(jié)的數(shù)據(jù)，對(duì)只讀地址和保留地址的寫入將被忽略，不完整的字節(jié)不會(huì)被寫入。

5. 1-Wire信號(hào)

1-Wire總線需要嚴(yán)格的信號(hào)協(xié)議來確保數(shù)據(jù)完整性，DS2740使用的四種協(xié)議為：初始化序列（復(fù)位脈沖后接存在脈沖）、寫0、寫1和讀取數(shù)據(jù)。除存在脈沖外，所有信號(hào)類型均由總線主發(fā)起。

• 初始化序列：總線主發(fā)送復(fù)位脈沖(t{RSTL})，然后釋放總線進(jìn)入接收模式，1-Wire總線被上拉電阻拉高。DS2740檢測(cè)到DQ引腳的上升沿后，等待(t{PDH})，然后發(fā)送存在脈沖(t_{PDL})。
• 寫時(shí)隙：分為寫1和寫0，總線主將1-Wire總線從高電平拉低啟動(dòng)寫時(shí)隙，所有寫時(shí)隙持續(xù)時(shí)間為(t{SLOT})，周期之間的最小恢復(fù)時(shí)間為(t{REC})。DS2740在總線下降后15μs至60μs（過驅(qū)動(dòng)速度為2μs至6μs）之間采樣總線。
• 讀時(shí)隙：總線主將1-Wire總線從高電平拉低啟動(dòng)讀時(shí)隙，必須保持總線低電平至少1μs，然后釋放總線讓DS2740提供有效數(shù)據(jù)。總線主在讀取時(shí)隙開始后(t{RDV})采樣數(shù)據(jù)，讀取時(shí)隙持續(xù)時(shí)間為(t{SLOT})，周期之間的最小恢復(fù)時(shí)間為(t_{REC})。

八、電氣特性

1. 絕對(duì)最大額定值

• (V{DD})、DQ、IS1、IS2、PIO相對(duì)于(V{ss})的電壓范圍為 -0.3V至 +6V。
• SNS相對(duì)于(V_{ss})的電壓范圍為 -0.3V至 +6V。
• 工作溫度范圍為 -40°C至 +85°C。
• 存儲(chǔ)溫度范圍為 -55°C至 +125°C。
• 焊接溫度見IPC/JEDEC J - STD - 020A。

2. 推薦的直流工作條件

• 電源電壓(V{DD})范圍為2.7V至5.5V（(T{A}=0^{circ}C)至 +70°C）。
• 數(shù)據(jù)引腳DQ電壓范圍為 -0.3V至 +5.5V。

3. 直流電氣特性

不同工作條件下，DS2740的各項(xiàng)電氣參數(shù)有明確的范圍和要求，如活動(dòng)電流、睡眠模式電流、欠壓睡眠閾值、電流分辨率、電流滿量程幅度等。

4. 1-Wire接口電氣特性

1-Wire接口在標(biāo)準(zhǔn)速度和過驅(qū)動(dòng)速度下，各信號(hào)的時(shí)間參數(shù)（如時(shí)間槽、恢復(fù)時(shí)間、寫0低時(shí)間等）有不同的要求。

總的來說，DS2740以其高精度的電流測(cè)量、豐富的功能和靈活的接口，為電池容量監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)時(shí)，可以根據(jù)具體需求合理選擇和使用DS2740，以實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的電池管理。大家在實(shí)際應(yīng)用中有沒有遇到過DS2740相關(guān)的問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享。