探索DS1321：灵活的非易失性控制器与锂电池监测器

在电子设计领域，如何确保数据在电源故障时的安全性和完整性是一个关键问题。Maxim的DS1321非易失性控制器与锂电池监测器为解决这一问题提供了出色的方案。今天，我们就来深入了解一下这款功能强大的芯片。

文件下载：DS1321S+T&R.pdf

一、DS1321的核心特性

1. 非易失性内存转换

DS1321能够将CMOS SRAM转换为非易失性内存。当 (V{CC}) 超出容差范围时，它会无条件地对SRAM进行写保护，并且在 (V{CC}) 电源故障时自动切换到电池备份电源，确保SRAM数据的安全。

2. 灵活的内存组织

它支持三种不同的内存配置模式：

• 模式0：4个存储体，每个存储体包含1个SRAM。
• 模式1：2个存储体，每个存储体包含2个SRAM。
• 模式2：1个存储体，包含4个SRAM。

3. 锂电池监测

DS1321可以监测锂电池的电压，并在电池即将失效时提供提前警告。当电池电量低时，会通过低电平有效的电池警告输出信号通知系统。

4. 电源故障处理

在电源故障发生时，它会复位处理器，并在系统上电期间保持处理器处于复位状态。同时，它还提供可选的5%或10%电源故障检测。

5. 多种封装形式

DS1321提供16引脚PDIP、16引脚SO和20引脚TSSOP三种封装，适用于不同的应用场景。其工业温度范围为 -40°C 至 +85°C，能适应较为恶劣的工作环境。

二、引脚功能与分配

1. 引脚描述

引脚名称	功能描述
(V_{CCI})	+5V 电源输入
(V_{CCO})	SRAM 电源输出
(V_{BAT})	备份电池输入
A, B	地址输入
(CEI1 - CEI4)	芯片使能输入
(CEO1 - CEO4)	芯片使能输出
(TOL/BW)	(V_{CC}) 容差选择 - 电池警告输出（开漏）
(RST)	复位输出（开漏）
(MODE)	模式输入
(GND)	接地
(NC)	未连接

2. 引脚分配

不同封装的DS1321引脚分配有所不同，具体可参考文档中的详细图表。例如，16引脚PDIP封装中， (V{CCI}) 为1脚， (V{CCO}) 为16脚等。

三、工作原理与功能实现

1. 内存备份

DS1321通过以下两个主要步骤实现对多达四个SRAM的电池备份：

• 电源切换：当 (V{CCI}) 低于 (V{CCTP}) 且 (V{CCI}) 低于电池电压 (V{BAT}) 时，电池会被切换为SRAM提供备份电源，且切换时的电压降小于0.2V。
• 电源故障检测与写保护：持续监测 (V_{CCI}) ，当电源超出容差范围时，精密比较器会检测到电源故障，并禁止四个芯片使能输出，以对SRAM进行写保护。同时，该芯片还采用了一种特殊的延迟写保护方案，确保在电源故障发生时正在进行的内存访问能够正常完成。

2. 内存配置

通过 (MODE) 引脚，DS1321可以配置为三种不同的内存排列方式。 (MODE) 引脚的状态在 (V{CCI}=V{CCTP}) 上电时被锁存。具体配置如下：

• (MODE = GND) ：4个存储体，每个存储体1个SRAM。
• (MODE = V_{CCO}) ：2个存储体，每个存储体2个SRAM。
• (MODE) 浮空：1个存储体，包含4个SRAMs。

3. 电池电压监测

DS1321会按照工厂编程的24小时时间间隔自动进行电池电压监测。监测在 (V{CCI}) 高于 (V{CCTP}) 后的 (t{REC}) 内开始，在电源故障时暂停。每24小时，DS1321会将 (V{BAT}) 连接到内部1 MΩ测试电阻 (R{INT}) 一秒钟。如果在此期间 (V{BAT}) 低于工厂编程的电池电压触发点 (V{BTP}) ，电池警告输出 (overline{BW}) 会被置位。一旦 (overline{BW}) 被激活，电池测试将以 (t{BTCW}) 为周期进行，直到电池被物理移除并更换为新电池。

4. 电源监测

DS1321能够自动检测电源供应的异常情况，并向基于处理器的系统发出即将发生电源故障的警告。当 (V{CCI}) 低于由 (TOL) 引脚定义的触发点 (V{CCRP}) 时， (V{CCI}) 比较器会激活复位信号 (RST) 。 (RST) 信号在电源上电时也作为上电复位信号，在 (V{CCI}) 超过 (V_{CCTP}) 后， (RST) 会保持激活200 ms（标称值），以防止上电瞬态期间的系统操作。

5. 新鲜度密封模式

当电池首次连接到DS1321且未施加 (V{CC}) 电源时，设备不会立即在 (V{CCO}) 上提供电池备份电源。只有在 (V{CCI}) 超过 (V{CCTP}) 后，DS1321才会离开新鲜度密封模式。这种模式允许在制造过程中连接电池，但直到系统首次激活后才使用，从而避免了电池在存储和运输过程中的能量消耗。

四、电气特性与参数

1. 绝对最大额定值

• 任何引脚相对于地的电压范围： -0.5V 至 +6.0V
• 工作温度范围： -40°C 至 +85°C
• 存储温度范围： -55°C 至 +125°C
• 焊接温度（回流焊，SO或TSSOP）： +260°C
• 引脚温度（焊接，10s）： +300°C

2. 推荐工作条件

在 -40°C 至 +85°C 的温度范围内，不同参数的推荐工作条件如下：	参数	符号	最小值	典型值	最大值	单位	备注
电源电压（ (TOL = GND) ）	(V_{CCI})	4.75	5.0	5.5	V
电源电压（ (TOL = V_{CCO}) ）	(V_{CCI})	4.5	5.0	5.5	V
电池电源电压	(V_{BAT})	2.0	3.0	6.0	V
逻辑1输入	(V_{IH})	2.0	(V_{CCI}+0.3)		V
逻辑0输入	(V_{IL})	-0.3	+0.8		V

3. 直流电气特性

包括工作电流、RAM 电源电压、电源电流、 (V{CC}) 触发点、 (V{BAT}) 触发点等参数的具体数值范围。例如，工作电流（TTL输入）典型值为1 mA，最大值为1.5 mA； (V_{CC}) 触发点（ (TOL = GND) ）最小值为4.50V，典型值为4.62V，最大值为4.75V 。

4. 交流电气特性

涉及 (CEI) 到 (CEO) 的传播延迟、 (CE) 脉冲宽度、 (V_{CC}) 有效到写保护结束时间等参数。如 (CEI) 到 (CEO) 的传播延迟典型值为12 ns，最大值为20 ns； (CE) 脉冲宽度最大值为1.5 µs 。

五、时序图与注意事项

文档中提供了电源上电、电源下电、电池警告检测和电池更换的时序图，帮助工程师更好地理解DS1321在不同工作状态下的信号变化。同时，还给出了一些注意事项，例如：

• 电池监测不能持续进行，否则会大幅缩短电池寿命。DS1321每24小时仅测试电池一秒钟，测试间隔期间不进行监测。
• 对于长时间断电的系统，可能会在没有任何提前警告的情况下耗尽锂电池电量。因此，使用DS1321电池监测功能的系统应定期上电进行电池测试。
• 当 (overline{BW}) 激活时，更换电池时应确保 (V{CCI}) 处于标称值，以避免SRAM数据丢失。同时，要满足旧电池拆卸和新电池安装之间的最小时间间隔 (t{BDBA}) ，否则 (overline{BW}) 可能不会在新电池安装后停用。

六、订购信息与封装信息

1. 订购信息

产品型号	温度范围	引脚封装
DS1321+	-40°C 至 +85°C	16 PDIP
DS1321S+	-40°C 至 +85°C	16 SO
DS1321E+	-40°C 至 +85°C	20 TSSOP

其中，“+” 表示无铅/符合RoHS标准的封装。

2. 封装信息

可通过访问 www.maxim-ic.com/packages 获取最新的封装轮廓信息和焊盘图案。不同封装类型有对应的封装代码、轮廓编号和焊盘图案编号。

七、数据手册修订摘要

文档还提供了不同版本数据手册的修订摘要，记录了参数变化、功能调整等信息。例如，在不同版本中， (I{CCO1}) 、 (I{CCO2}) 、 (V_{BTP}) 等参数的数值有所改变，同时对一些功能描述进行了澄清和更新。

综上所述，DS1321是一款功能强大、设计灵活的非易失性控制器与锂电池监测器，能够为电子系统提供可靠的数据保护和电源管理解决方案。在实际应用中，工程师们可以根据具体需求合理配置DS1321的各项功能，确保系统的稳定性和可靠性。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。