深度剖析DS2740高精度库仑计数器

在电子设备的设计中，准确监测电池容量至关重要。DS2740作为一款高精度库仑计数器，为成本敏感型应用提供了可靠的电池容量监测解决方案。下面，我们就来详细了解一下DS2740的各项特性和功能。

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一、DS2740的主要特性

1. 高精度电流测量

DS2740有两种型号，DS2740U提供15位双向电流测量，DS2740BU提供13位双向电流测量。不同型号搭配不同阻值的外部感测电阻（(R_{SNS})），可以实现不同的电流分辨率和动态范围。

• DS2740U：LSB为1.56μV，动态范围±51.2mV；搭配20mΩ的(R{SNS})时，LSB为78μA，动态范围±2.56A；搭配10mΩ的(R{SNS})时，LSB为156μA，动态范围±5.12A。
• DS2740BU：LSB为6.25μV，动态范围±51.2mV；搭配20mΩ的(R{SNS})时，LSB为312μA，动态范围±2.56A；搭配10mΩ的(R{SNS})时，LSB为625μA，动态范围±5.12A。

2. 模拟输入滤波

通过在IS1和IS2引脚之间添加电容，可以对电压信号进行滤波，扩展脉冲负载应用的动态范围。外部电容和两个内部电阻在ADC输入处形成低通滤波器，允许输入转换高达102mV的峰值信号幅度，只要连续或平均信号电平（滤波后）在转换周期内不超过±51.2mV。

3. 电流累积寄存器

DS2740U和DS2740BU的电流累积寄存器分辨率均为6.25μVhr。搭配20mΩ的(R{SNS})时为0.3125mAhr，搭配10mΩ的(R{SNS})时为0.6250mAhr。

4. 1-Wire接口

采用Dallas 1-Wire®接口，每个设备都有唯一的64位设备地址，支持标准和过驱动时序（OVD）。

5. 低功耗

• 活动电流最大为65μA。
• 睡眠电流最大为1μA。

二、引脚配置与描述

1. 引脚配置

DS2740采用8引脚μMAX封装，引脚分布如下：	引脚编号	引脚名称
1	VDD
2	DQ
3	OVD
4	PIO
5	SNS
6	VSS
7	IS1
8	IS2

2. 引脚描述

• OVD：1-Wire总线速度选择，逻辑1选择过驱动（OVD），逻辑0选择标准时序（STD）。
• PIO：可编程I/O引脚，可通过内部寄存器编程为输入或输出。
• SNS：感测电阻输入。
• IS2：电流感测输入，通过10kΩ电阻连接到SNS，可通过外部电容对电流波形进行滤波。
• IS1：电流感测输入，通过10kΩ电阻连接到VSS，可通过外部电容对电流波形进行滤波。
• VSS：设备接地，电流感测电阻返回，直接连接到电池单元的负极。
• DQ：数据输入/输出，双向操作，带有开漏输出驱动器。
• VDD：电源输入，连接到系统电压源或电池单元的正极，电压范围为2.7V至5.5V。

三、电源模式

DS2740有活动和睡眠两种电源模式。

1. 活动模式

DS2740作为高精度库仑计数器运行，电流和累积电流测量模块持续工作，测量结果更新到测量寄存器中。可以对所有寄存器进行读写操作，PIO引脚处于活动状态。

2. 睡眠模式

DS2740处于低功耗模式，无电流测量活动。当(V_{DD}>2V)时，允许对电流、累积电流和状态/控制寄存器进行串行访问。

3. 模式转换

• 从睡眠模式转换到活动模式的条件：(DQ>V{IH})且(V{DD}>UV)阈值，或者(V_{DD})从低于UV阈值上升到高于UV阈值。
• 从活动模式转换到睡眠模式的条件：(V{DD})下降到UV阈值，或者(SMOD = 1)且(DQ < V{IL})持续2s。

四、电流测量

在活动模式下，DS2740通过测量低阻值电流感测电阻(R_{SNS})上的电压降，持续测量电池的流入和流出电流。为了扩展脉冲型负载电流的输入范围，可以在IS1和IS2引脚之间添加电容进行滤波。ADC以18.6kHz的采样时钟对IS1和IS2的输入进行差分采样，并在每个转换周期完成后更新电流寄存器。 不同分辨率的转换时间不同：

• DS2740U：转换周期为3.5s，单位为1.5625μV/ (R_{SNS}) ，15位+符号分辨率。
• DS2740BU：转换周期为0.875s，单位为6.250μV/ (R_{SNS}) ，13位+符号分辨率。

每1024次转换，ADC会测量其输入偏移以进行偏移校正。DS2740U大约每小时进行一次偏移校正，DS2740BU每小时进行四次。校正因子应用于随后的1023次测量。为了减少误差，在偏移转换之前的电流测量值会显示在电流寄存器中，并在电流累积过程中替代缺失的电流测量值。

五、电流累积器

电流测量值在每个转换周期结束时进行内部求和并累积，结果显示在电流累积寄存器（ACR）中。ACR的精度取决于电流测量和转换时基。ACR的范围为±204.8mVh，LSb为6.25μVh。对ACR进行读写操作时，分数累积结果会被清除，同时会强制ADC测量其偏移并更新偏移校正因子。电流测量和累积从对ACR写入后的第二次转换开始。

六、存储器

DS2740具有用于仪表、状态和控制的寄存器存储空间。读取两字节寄存器的MSB时，MSB和LSB会被锁存，以确保在读取过程中不会更新，并保证两个寄存器字节之间的同步。强烈建议在同一读取数据命令序列中同时读取两字节寄存器的MSB和LSB，以获得一致的结果。

1. 状态寄存器

地址为01h，其格式如下：	BIT 7	BIT 6	BIT 5	BIT 4	BIT 3	BIT 2	BIT 1	BIT 0
X	SMOD	X	RNAOP	X	X	X	X

• SMOD：睡眠模式使能，1允许DS2740在DQ低电平持续2s时进入睡眠模式，0禁用与DQ相关的睡眠模式转换，上电默认值为0。
• RNAOP：读取网络地址操作码，0设置读取网络地址命令的操作码为33h，1设置为39h，上电默认值为0。
• X：保留位。

2. 特殊功能寄存器

地址为08h，其格式如下：	BIT 7	BIT 6	BIT 5	BIT 4	BIT 3	BIT 2	BIT 1	BIT 0
X	PIO	X	X	X	X	X	X

• PIO：PIO引脚感应和控制，可读写。写入0使能PIO开漏输出驱动器，将PIO引脚拉低；写入1禁用输出驱动器，允许PIO引脚被拉高或用作输入。读取时返回PIO引脚的逻辑电平。初始上电、进入睡眠模式或(DQ低电平>t_{SLEEP})（与SMOD引脚无关）时，PIO复位为1。
• X：保留位。

七、1-Wire总线系统

1. 64位网络地址

每个DS2740都有一个唯一的、工厂编程的64位1-Wire网络地址。前8位是1-Wire家族代码（DS2740为36h），接下来48位是唯一的序列号，最后8位是前56位的循环冗余校验（CRC）。

2. CRC生成

DS2740的1-Wire网络地址的最高有效字节中存储着一个8位CRC。主机系统可以从地址的前56位计算CRC值，并与DS2740的CRC进行比较，以确保地址的无差错传输。正确使用CRC可以使通信通道具有很高的完整性。

3. 硬件配置

• 1-Wire总线只有一条线，总线上的每个设备必须使用开漏或三态输出驱动器来驱动总线。DS2740使用开漏输出驱动器作为双向接口电路的一部分。
• 1-Wire总线在总线主端必须有一个上拉电阻，对于短线路，电阻值约为5kΩ。总线的空闲状态为高电平。如果总线事务需要暂停，总线必须保持在空闲状态，以便后续正确恢复事务。
• DS2740可以在标准和过驱动两种通信速度模式下运行，速度模式由OVD引脚的输入逻辑电平决定，逻辑0选择标准速度，逻辑1选择过驱动速度。在发起复位脉冲启动事务之前，OVD引脚必须保持稳定的逻辑0或1电平。多节点总线上的所有1-Wire设备必须以相同的通信速度运行。

4. 事务序列

通过1-Wire端口访问DS2740的协议如下：初始化 -> 网络地址命令 -> 功能命令 -> 事务/数据。

• 初始化：所有1-Wire总线事务都从初始化序列开始，总线主发送复位脉冲，随后DS2740和其他从设备同时发送存在脉冲，告知总线主总线上有一个或多个设备准备好操作。
• 网络地址命令
  • Read Net Address [33h或39h]：允许总线主读取DS2740的1-Wire网络地址，仅适用于总线上只有一个从设备的情况。
  • Match Net Address [55h]：允许总线主指定总线上的一个DS2740，只有被寻址的设备会响应后续的功能命令。
  • Skip Net Address [CCh]：当总线上只有一个DS2740时，可节省时间，允许总线主直接发出功能命令而无需指定从设备地址。
  • Search Net Address [F0h]：允许总线主通过排除法识别总线上所有从设备的1-Wire网络地址。
  • Resume [A5h]：在多节点环境中，当需要多次访问DS2740时，可提高数据吞吐量。
• 功能命令
  • Read Data [69h, XX]：从内存地址XX开始读取数据，地址自动递增，可读取最多256字节的数据，可在任何位边界通过复位脉冲终止。
  • Write Data [6Ch, XX]：从内存地址XX开始写入数据，地址自动递增，可写入最多256字节的数据，对只读地址和保留地址的写入将被忽略，不完整的字节不会被写入。

5. 1-Wire信号

1-Wire总线需要严格的信号协议来确保数据完整性，DS2740使用的四种协议为：初始化序列（复位脉冲后接存在脉冲）、写0、写1和读取数据。除存在脉冲外，所有信号类型均由总线主发起。

• 初始化序列：总线主发送复位脉冲(t{RSTL})，然后释放总线进入接收模式，1-Wire总线被上拉电阻拉高。DS2740检测到DQ引脚的上升沿后，等待(t{PDH})，然后发送存在脉冲(t_{PDL})。
• 写时隙：分为写1和写0，总线主将1-Wire总线从高电平拉低启动写时隙，所有写时隙持续时间为(t{SLOT})，周期之间的最小恢复时间为(t{REC})。DS2740在总线下降后15μs至60μs（过驱动速度为2μs至6μs）之间采样总线。
• 读时隙：总线主将1-Wire总线从高电平拉低启动读时隙，必须保持总线低电平至少1μs，然后释放总线让DS2740提供有效数据。总线主在读取时隙开始后(t{RDV})采样数据，读取时隙持续时间为(t{SLOT})，周期之间的最小恢复时间为(t_{REC})。

八、电气特性

1. 绝对最大额定值

• (V{DD})、DQ、IS1、IS2、PIO相对于(V{ss})的电压范围为 -0.3V至 +6V。
• SNS相对于(V_{ss})的电压范围为 -0.3V至 +6V。
• 工作温度范围为 -40°C至 +85°C。
• 存储温度范围为 -55°C至 +125°C。
• 焊接温度见IPC/JEDEC J - STD - 020A。

2. 推荐的直流工作条件

• 电源电压(V{DD})范围为2.7V至5.5V（(T{A}=0^{circ}C)至 +70°C）。
• 数据引脚DQ电压范围为 -0.3V至 +5.5V。

3. 直流电气特性

不同工作条件下，DS2740的各项电气参数有明确的范围和要求，如活动电流、睡眠模式电流、欠压睡眠阈值、电流分辨率、电流满量程幅度等。

4. 1-Wire接口电气特性

1-Wire接口在标准速度和过驱动速度下，各信号的时间参数（如时间槽、恢复时间、写0低时间等）有不同的要求。

总的来说，DS2740以其高精度的电流测量、丰富的功能和灵活的接口，为电池容量监测应用提供了强大的支持。电子工程师在设计相关系统时，可以根据具体需求合理选择和使用DS2740，以实现高效、准确的电池管理。大家在实际应用中有没有遇到过DS2740相关的问题呢？欢迎在评论区交流分享。