Датчики уровня заряда аккумуляторов с функцией аутентификации от Maxim Integrated

В статье рассматриваются датчики уровня заряда MAX172xx с функцией аутентификации SHA-256, а также дается краткое описание технологии ModelGauge™ EZ. Микросхемы MAX172xx предназначены для приложений, требующих аутентификации одноячеечных и многоячеечных аккумуляторов
340
В избранное

Данная статья является переводом избранных разделов руководства "MOBILE POWER. Product Selector Guide" от компании Maxim Integrated. В статье рассматриваются датчики уровня заряда MAX172xx с функцией аутентификации SHA-256, а также дается краткое описание технологии ModelGauge™ EZ. Микросхемы MAX172xx предназначены для приложений, требующих аутентификации одноячеечных и многоячеечных аккумуляторов.

Краткая характеристика алгоритма ModelGauge m5

Мобильные устройства нуждаются в точном измерении уровня заряда аккумулятора (SOC). Это необходимо для гарантированной защиты от внезапного разряда аккумулятора и обеспечения максимальной длительности работы устройства. Алгоритм ModelGauge m5, разработанный компанией Maxim Integrated, позволяет точно оценивать значение SOC благодаря одновременному использованию двух методов: метода определения SOC по величине напряжения на разомкнутых клеммах аккумулятора (OCV) и метода определения SOC с интегрированием токов. Кроме того, ModelGauge m5 использует дополнительные адаптивные методы, позволяющие учесть эффект снижения емкости в процессе старения аккумулятора. Датчики уровня заряда с ModelGauge m5 не только обеспечивают длительное время автономной работы устройства, но и отличаются компактными размерами, что является крайне важным преимуществом для портативных приложений. Помимо расчета SOC алгоритм ModelGauge m5 имеет некоторые дополнительные полезные функции, например, он позволяет вычислять время до полного заряда и время до полного разряда с учетом прогнозируемого уровня нагрузки. В процессе работы ModelGauge M5 учитывает тринадцать критических параметров, напрямую влияющих на длительность срока службы аккумулятора. Эти параметры используются для анализа неисправностей и для обеспечения надежной работы аккумулятора.

ModelGauge M5 использует следующие алгоритмы и методы:

  • Метод определения SOC по величине напряжения на разомкнутых клеммах аккумулятора (OCV) – основной алгоритм, применимый в ModelGauge. Он позволяет оценивать напряжение на разомкнутых клеммах без реального физического отключения аккумулятора. Другими словами в процессе измерения OCV аккумулятор может продолжать питать нагрузку. Стоит отметить, что главным недостатком этого алгоритма является необходимость параметризации аккумулятора для расчета SOC. В то же время, главное достоинство этого алгоритма заключается в том, что для его работы не требуется измерение тока, что в свою очередь приводит к уменьшению габаритов, сокращению числа используемых компонентов и снижению стоимости изделия. Алгоритмы ModelGauge на основе OCV демонстрируют очень высокую долговременную точность в процессе работы.
  • Метод определения SOC с интегрированием токов – подразумевает интегрирование (суммирование) входных и выходных токов для расчета уровня заряда аккумулятора. Данный метод демонстрирует более высокую кратковременную точность по сравнению с методом измерения OCV, но при длительной работе он оказывается менее точным из-за накапливающейся погрешности. Алгоритм ModelGauge m5 сочетает в себе оба метода расчета SOC. В результате датчики уровня заряда, использующие ModelGauge m5, обеспечивают высокую точностью измерений, как при кратковременной, так и при длительной работе.
  • Cycle + – алгоритм, позволяющий прогнозировать снижение емкости в процессе старения аккумулятора.
  • Converge-to-Empty – алгоритм, который позволяет устранить ошибку SOC, возникающую при работе с аккумуляторами, близкими к полному разряду.

Особенности технологии ModelGauge m5 EZ

Первые версии ModelGauge требовали дорогой лабораторной параметризации аккумуляторов для получения приемлемой математической модели, позволяющей точно вычислять SOC в процессе заряда и разряда. Новая версия алгоритма EZ обеспечивает высокоточное измерение уровня заряда аккумулятора без необходимости углубленной параметризации, что позволяет быстро выводить устройства с аккумуляторным питанием на рынок. EZ создает модель пользовательской батареи для базовых алгоритмов ModelGauge с использованием ограниченного набора параметров.

Для работы с EZ необходимы следующие параметры:

  1. ёмкость ячейки (мА·ч);
  2. напряжение разряженного аккумулятора;
  3. конфигурация аккумулятора.

Графический интерфейс пользователя (GUI), используемый для работы со всеми устройствами m5, показан на рис. 1. Интерфейс имеет в своем составе мастер настройки батареи и инструменты измерения производительности. Он также имеет возможность построения графиков производительности в режиме реального времени. Все это позволяет разработчикам быстро оценивать эффективность аккумуляторов и системы в целом. Алгоритм EZ поддерживается только некоторыми устройствами ModelGauge m5; однако службы определения характеристик по-прежнему доступны для всего семейства устройств ModelGauge.

Интерфейс EZ Confg Tool Interface для ModelGauge m5

Рис. 1. Интерфейс EZ Confg Tool Interface для ModelGauge m5

Пример микросхемы с ModelGauge m5 EZ: MAX17055

Благодаря одновременному использованию нескольких алгоритмов, ModelGauge M5 обеспечивает высокую точность оценки SOC в течение всего срока службы батареи. ModelGauge M5 автоматически компенсирует различные эффекты изменения емкости аккумулятора, возникающие в процессе старения, а также из-за колебаний температуры и скорости разряда. Кроме того, измерители уровня заряда, использующие ModelGauge m5 EZ, например, MAX17055, позволяют быстро создавать прототипы устройств, устраняя необходимость в дорогой лабораторной параметризации аккумуляторов, что снижает затраты на разработку без ущерба для точности (Рис. 2).

Пример работы MAX17055 в составе устройства с аккумуляторным питанием

Рис. 2. Пример работы MAX17055 в составе устройства с аккумуляторным питанием

Алгоритм ModelGauge m5 EZ был протестирован с 300 видами различных аккумуляторов. Результаты показали, что при работе с 97% аккумуляторов погрешность измерения составила менее 3%. Отличная точность и высокая скорость разработки позволяют использовать MAX17055 в самых разных приложениях с одноячеечными Li+-аккумуляторами (рис. 3). Для работы с многоячеечными аккумуляторами предназначены микросхемы MAX17205 и MAX17215, о которых подробнее рассказывается в одном из следующих пунктов.

Пример работы MAX17055 в составе аккумуляторной батареи

Рис. 3. Пример работы MAX17055 в составе аккумуляторной батареи

Основными особенностями MAX17055 являются:

  • Алгоритм ModelGauge m5 EZ:
    • не требуется параметризация аккумулятора
    • высокая устойчивость к колебаниям емкости
    • удаление ошибки напряжения при глубоком разряде аккумулятора
    • удаление накапливающейся погрешности метода интегрирования токов
    • компенсация различных эффектов изменения емкости (из-за старения, температурных колебаний, скорости разряда)
    • не требует для работы полного заряда или разряда;
  • Низкий рабочий ток 7 мкА
  • Широкий диапазон измерительных резисторов:
    • от 1 до 1000 мОм
    • температурная компенсация
    • учет сопротивления дорожек ПП;
  • Поддержка различных типов Li+-аккумуляторов, включая LiFePO4;
  • Встроенный датчик температуры ± 1° C;
  • Оценка динамической мощности для расчета времени разряда;
  • Расчет оставшейся емкости по прогнозируемой нагрузке;
  • Сигнализация о различных состояниях (уровень напряжения, SOC, температура, ток и 1% изменения SOC).

Аутентификация аккумуляторов с помощью SHA-256

Устройства, допускающие замену аккумуляторов, часто становятся целью для недобросовестных сторонних производителей. Эти неавторизованные компании производят поддельные комплектующие, которые создают проблемы безопасности и снижают качество работы устройств. Введение защищенной аутентификации позволяет хост-системе проверять подлинность аккумулятора и принимать меры в случае обнаружения поддельного элемента питания (рис. 4).

Применение аутентификации для защиты от использования неаутентичных аккумуляторов

Рис. 4. Применение аутентификации для защиты от использования неаутентичных аккумуляторов

Аккумуляторы оказываются относительно простой целью для производителей контрафактных изделий, так как они используются во всех мобильных устройствах. Компания Maxim Integrated предлагает микросхемы измерения уровня заряда ModelGauge m5 с функцией аутентификации SHA-256 (рис. 5). В результате использования таких микросхем разработчики получают высокоточный датчик заряда и одновременно повышают уровень защиты своих устройств.

Блок-схема процедуры аутентификации

Рис. 5. Блок-схема процедуры аутентификации

На рис. 6 показана проверка подлинности одноячеечного аккумулятора с использованием микросхемы MAX17201 с функцией SHA-256.

Аутентификация аккумуляторной батареи с помощью микросхемы MAX17201 с функцией аутентификации SHA-256

Рис. 6. Аутентификация аккумуляторной батареи с помощью микросхемы MAX17201 с функцией аутентификации SHA-256

В конфигурации, показанной на рис. 6, системный хост отправляет команду аутентификации через микроконтроллер (МК). Как только аутентификация завершена, микроконтроллер разрешает работу системы питания (PMIC). Если MAX17201 возвращает неверный результат, то процесс аутентификации считается не пройденным и микроконтроллер не включает систему питания. Процесс аутентификации SHA-256 подразумевает шифрование и дешифрование, как на стороне микроконтроллера, так и на стороне MAX17201. В качестве альтернативы, может быть реализована более простая схема, использующая предварительно вычисленную пару запрос-ответ, сохраненную в памяти микроконтроллера.

Датчики семейства MAX172xx с функцией SHA-256 обеспечивают безопасную аутентификацию для предотвращения несанкционированного клонирования аккумуляторных батарей и использования контрафактных элементов питания (таблица 1). Механизм SHA-256 позволяет системному хосту проверить подлинность нового аккумулятора после его установки. При аутентификации хост отправляет запрос аккумулятору, предоставляя уникальный код, а проверяемый аккумулятор должен сгенерировать верный ответ.

Таблица 1. Микросхемы измерения уровня заряда MAX172xx с функцией аутентификации SHA-256

Наименование

Тип аккумулятора

Интерфейс

MAX17201

1-Cell Li+

2-Wire

MAX17205

Multi-Cell Li+

2-Wire

MAX17211

1-Cell Li+

1-Wire®

MAX17215

Multi-Cell Li+

1-Wire

После получения запроса от хоста аккумулятор отвечает 256-битным кодом аутентификации сообщения (MAC). MAC генерируется с помощью блока шифрования SHA, который содержит алгоритм безопасного хеширования (secure hash algorithm, SHA). Для генерации MAC используется запрос хоста, ключ, пользовательская память и дополнительные данные об устройстве. Далее MAC отправляется обратно на хост для проверки. После успешной проверки аккумуляторный блок считается подлинным.

Стоит отметить, что в данной статье не приводятся данные об особенностях реализации алгоритмов аутентификации MAX172xx. Полная технических информация предоставляется в рамках соглашения о неразглашении (NDA).

Контроль заряда многоячеечными аккумуляторами в роботах и дронах

Для нормальной работы электромоторов и сервоприводов, используемых в дронах и роботах, требуется более высокое напряжение питания. По этой причине в таких приложениях чаще всего применяются многоячеечные литий-ионные аккумуляторы. К сожалению, аккумуляторные ячейки имеют различную емкость, в результате чего в процессе разряда напряжение каждой отдельной ячейки будет уменьшаться с разной скоростью. Для поддержания эквивалентных напряжений во всех элементах, необходимо выполнять балансировку ячеек. Это позволяет увеличить срок службы элемента питания. Микросхема MAX17215 способна не только измерять уровень заряда аккумулятора, но и балансировать до трех аккумуляторных ячеек.

Мониторинг уровня заряда позволяет максимально продлить время работы и срок службы аккумулятора. MAX17215 использует алгоритм EZ Confg ModelGauge, который, как было сказано выше, обеспечивает точное измерения уровня SOC в процессе работы даже без выполнения дорогостоящей лабораторной параметризации аккумулятора. В дополнение к точному измерению уровня заряда, MAX17215 обеспечивает аутентификацию SHA-256 для проверки подлинности аккумуляторной батареи, что повышает уровень защиты и надежность системы. На рис. 7 показан пример использования MAX17215 в составе дрона.

Использования MAX17215 для контроля заряда многоячеечного аккумулятора, питающего дрон

Рис. 25. Использования MAX17215 для контроля заряда многоячеечного аккумулятора, питающего дрон

Дополнительная литература:

Источник: https://pdfserv.maximintegrated.com/en/pg/Mobile-Power-Selector-Guide.pdf

Производитель: Maxim Integrated
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MAX17201G+T
MAX17201G+T
Maxim Integrated
Арт.: 2083371 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
Управление питанием от батарей MODELGAUGE M5 1S I2C TDFN
MAX17201G+T
-
Поиск
предложений
MAX17211G+
MAX17211G+
Maxim Integrated
Арт.: 2083373 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
BATT FUEL GAUGE, LI-ION, 4.9V, TDFN-14
MAX17211G+
-
Поиск
предложений
MAX17215G+
MAX17215G+
Maxim Integrated
Арт.: 2083374 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Управление питанием от батарей Low Power Modelgauge M5 Fuel GaugeBATT FUEL GAUGE, LI-ION, 20V, TDFN-14
MAX17215G+
-
Поиск
предложений
MAX17201G+00E
MAX17201G+00E
Maxim Integrated
Арт.: 2093185 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
BATT FUEL GAUGE, -40 TO 85DEG C
MAX17201G+00E
-
Поиск
предложений
MAX17201G+T0E
MAX17201G+T0E
Maxim Integrated
Арт.: 2093186 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
IC BATTERY MONITOR 14TDFN
MAX17201G+T0E
-
Поиск
предложений
MAX17201GEVKIT#
MAX17201GEVKIT#
Maxim Integrated
Арт.: 2093187 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
The MAX17201G/MAX17201X/MAX17211G/MAX17211X evaluation kits (EV kits) are fully assembled and tested surface-mount PCBs that evaluate the stand-alone ModelGauge™ m5 pack-side fuel-gauge ICs for lithiumion (Li+) batteries in handheld and portable equipment.
MAX17201GEVKIT#
-
Поиск
предложений
MAX17205G+00E
MAX17205G+00E
Maxim Integrated
Арт.: 2093188 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
BATT FUEL GAUGE, -40 TO 85DEG C
MAX17205G+00E
-
Поиск
предложений
MAX17205GEVKIT#
MAX17205GEVKIT#
Maxim Integrated
Арт.: 2093190 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
MAX17205G/MAX17205X/MAX17215G/MAX17215X evaluation kits (EV kits) are fully assembled and tested surface-mount PCBs that evaluate the stand-alone ModelGauge™ m5 pack-side fuel-gauge ICs for lithiumion (Li+) batteries in handheld and portable equipment.
MAX17205GEVKIT#
-
Поиск
предложений
MAX17215G+00E
MAX17215G+00E
Maxim Integrated
Арт.: 2093194 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
BATT FUEL GAUGE, -40 TO 85DEG C
MAX17215G+00E
-
Поиск
предложений
MAX17215GEVKIT#
MAX17215GEVKIT#
Maxim Integrated
Арт.: 2093196 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
EVALUATION BOARD, LI-ION BATT CHARGER
MAX17215GEVKIT#
-
Поиск
предложений
MAX17201G+
MAX17201G+
Maxim Integrated
Арт.: 2102747 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
Управление питанием от батарей Modelgauge M5 Fuel Gauge, LI-ION, 4.9 V, TDFN-14.
MAX17201G+
-
Поиск
предложений
MAX17205G+
MAX17205G+
Maxim Integrated
Арт.: 2102748 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
BATT FUEL GAUGE, LI-ION, 20V, TDFN-14
MAX17205G+
-
Поиск
предложений
MAX17201XEVKIT#
MAX17201XEVKIT#
Maxim Integrated
Арт.: 2198914 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
MAX17201G/MAX17201X/MAX17211G/MAX17211X evaluation kits (EV kits) are fully assembled and tested surface-mount PCBs that evaluate the stand-alone ModelGauge™ m5 pack-side fuel-gauge ICs for lithiumion (Li+) batteries in handheld and portable equipment.
MAX17201XEVKIT#
-
Поиск
предложений
MAX17215XEVKIT#
Maxim Integrated
Арт.: 2198917 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
MAX17215XEVKIT#
-
Поиск
предложений
MAX17201X+T
MAX17201X+T
Maxim Integrated
Арт.: 2549364 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
Управление питанием от батарей MODELGAUGE M5 1S I2C WLP.
MAX17201X+T
-
Поиск
предложений
MAX17211X+T0E
MAX17211X+T0E
Maxim Integrated
Арт.: 2549369 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Управление питанием от батарей MODELGAUGE M5 1S 1W WLP
MAX17211X+T0E
-
Поиск
предложений
MAX17215X+T
MAX17215X+T
Maxim Integrated
Арт.: 2549370 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Управление питанием от батарей MODELGAUGE M5 MS 1W WLP
MAX17215X+T
-
Поиск
предложений
MAX17215X+T0E
MAX17215X+T0E
Maxim Integrated
Арт.: 2549371 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Управление питанием от батарей MODELGAUGE M5 MS 1W WLP
MAX17215X+T0E
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()