痛苦踩坑“電池電壓偵測電路”，含淚總結(jié)設(shè)計要點

時間：2021-08-19 15:09:13

關(guān)鍵字：電路電池電壓

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[導(dǎo)讀]▼點擊名片，關(guān)注公眾號▼做硬件，堆經(jīng)驗。做過一個電紙書閱讀器的項目，和Kindle是同類產(chǎn)品：產(chǎn)品中用到一個“電池電壓偵測電路”，當(dāng)時在這個電路上踩坑了，電路本身倒是很簡單：和大家分享這個電路的設(shè)計要點，以及當(dāng)時的設(shè)計失誤，幫助大家積累經(jīng)驗，以后不要踩這種坑。設(shè)計要點一：設(shè)定分壓...

▼點擊名片，關(guān)注公眾號▼做硬件，堆經(jīng)驗。
做過一個電紙書閱讀器的項目，和Kindle是同類產(chǎn)品：產(chǎn)品中用到一個“電池電壓偵測電路”，當(dāng)時在這個電路上踩坑了，電路本身倒是很簡單：

和大家分享這個電路的設(shè)計要點，以及當(dāng)時的設(shè)計失誤，幫助大家積累經(jīng)驗，以后不要踩這種坑。
設(shè)計要點一：設(shè)定分壓電阻的大小這種便攜式掌上閱讀器，當(dāng)然是內(nèi)置鋰電池的：通過偵測電池電壓來判斷電池電量，是很常用的做法。偵測電池電壓的電路非常簡單：電池電壓經(jīng)過電阻R26和R62分壓之后，給到主控芯片MCU的ADC引腳，通過ADC來偵測電池電壓。

為什么要分壓？因為ADC引腳可直接偵測的電壓范圍沒有4.2V這么高。在R62遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MCU的ADC引腳的輸入阻抗的情況下，可以忽略ADC引腳的輸入阻抗，這也是我們需要的。下面忽略ADC引腳的輸入阻抗來計算兩個電阻的分壓，也就是：

偵測到的電壓 = 電池電壓 ?x ?R62 / (R26 R62)
偵測到的電壓 = 電池電壓 ?x ?150 / (300 150)
偵測到的電壓 = 電池電壓 ?x ?1 / 3

當(dāng)電池電壓為4.2V時，經(jīng)過R26和R62分壓，ADC引腳會偵測到1.4V：當(dāng)電池電壓為3.5V時，經(jīng)過R26和R62分壓，ADC引腳會偵測到1.17V：

所以可以根據(jù)偵測到的電壓來算出電池電壓，也就是：

電池電壓 = 偵測到的電壓 x 3查看MCU的數(shù)據(jù)手冊，可以查到ADC引腳的輸入阻抗。為了忽略ADC引腳輸入阻抗的影響，R62要盡可能相對地小。但又不能太小，因為這個電路會一直消耗電池的電量，就算是關(guān)機(jī)狀態(tài)下也一直在耗電。電阻太小會導(dǎo)致關(guān)機(jī)功耗變大，這里消耗9.3uA：對閱讀器產(chǎn)品來說，可以接受了！

設(shè)計要點二：降低紋波電壓為了精確測量電池電壓，ADC引腳處的紋波電壓要小。這里用了電容C32來濾波：為了避免受到干擾，ADC引腳的走線要盡量短，遠(yuǎn)離干擾源，走線包地處理。ADC引腳處的走線高亮顯示如下（這個MCU是BGA封裝）：

這里的走線不算短，不過經(jīng)測試紋波電壓小于50mV，滿足要求。

設(shè)計要點三：設(shè)定關(guān)機(jī)電壓閱讀器配套的鋰電池，充滿電是4.2V。在電壓降到3.5V時，經(jīng)實際測試，閱讀器的系統(tǒng)電壓還能保持穩(wěn)定，但繼續(xù)放電容易導(dǎo)致死機(jī)，所以設(shè)定3.5V為關(guān)機(jī)電壓。參考一款鋰電池的放電曲線圖，以1A電流放電時，一開始放電曲線很平緩。放電到3.5V再往后一些，藍(lán)色的放電曲線呈陡涯式下降，這就是為什么電壓變得不穩(wěn)定了。見下圖藍(lán)色曲線的最右側(cè)那一段：根據(jù)這款產(chǎn)品的實際測試情況，軟件設(shè)定為當(dāng)偵測到電池電壓降到3.5V時，系統(tǒng)執(zhí)行關(guān)機(jī)。也就是：

電池電壓為4.2V時，屏幕顯示電量為100%；
電池電壓為3.5V時，屏幕顯示電量為0%，并執(zhí)行關(guān)機(jī)動作。

有些電子產(chǎn)品本身功耗低，也不會瞬間拉取大電流，就可以在電池電壓更低時才關(guān)機(jī)。設(shè)計要點四：注意分壓電阻的精度這個電路很簡單，電性能測試也沒發(fā)現(xiàn)什么問題。試產(chǎn)了100片電路板，裝了幾十臺整機(jī)，各種測試都Pass，一切順利。于是就批量5千臺，準(zhǔn)備交第一批貨給客戶。這是個定制項目，早就拿到訂單，已經(jīng)臨近約定交貨的日子。第一次正式批量，還是要謹(jǐn)慎。在貼片廠生產(chǎn)時，我全程跟線。生產(chǎn)總體比較順利，我在產(chǎn)線上沒事的時候，無聊地檢查著電路圖：

突然心里一咯噔，發(fā)現(xiàn)這個電池電壓偵測電路，分壓電阻的精度竟然是5%，不是1%！

一下子就懵了！

電池電壓偵測的精度非常重要，要知道如果MCU把3.7V的電池電壓判斷為3.5V，雖然相差才0.2V，但是電量差得可多了，會導(dǎo)致提前很多就關(guān)機(jī)。更糟糕的是，如果MCU把3.5V的電池電壓判斷為3.7V，那么系統(tǒng)不會在正確的電壓執(zhí)行關(guān)機(jī)。繼續(xù)使用的話，在MCU將電池電壓判斷為3.5V之前，可能已經(jīng)出現(xiàn)死機(jī)的情況。當(dāng)時馬上問產(chǎn)線還能不能改BOM，要更換物料，產(chǎn)線答復(fù)說5千片馬上就要貼完，現(xiàn)在下更改單來不及了。。。悲劇了，只能考慮是否手工改板了。把板上5%精度的換成1%精度的，每塊板要改2顆電阻，一共就是一萬顆電阻。首先問產(chǎn)線拿了一盤精度為5%的電阻過來，測試看偏差具體是多少。結(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然標(biāo)稱5%精度，實測精度并沒有超過1%。測了幾十個，基本是這種情況。這就有點意思了，好像還可以??！換還是不換呢，陷入了糾結(jié)。最后的決定是，保守一點，換！于是很苦逼，產(chǎn)線上的熟練焊工并不多，臨時給我找來一個，我倆一起改板5千片。一邊改板，一邊客戶那里催著交貨，真是慘痛的教訓(xùn)！

最后：復(fù)盤經(jīng)驗這個事情，是設(shè)計上還不夠細(xì)心，對這個電池電壓偵測電路的認(rèn)識不夠深刻，竟然沒有重點檢查電阻的精度。5%精度的電阻相對便宜，公司的出貨量非常大，單板的成本降低一點點，多出來的利潤可以很可觀，所以大部分電阻是選用5%精度，個別有需要的地方才會用1%。所謂成本是設(shè)計出來的。值得一提的是，由于電阻精度對單板的成本影響較小，有些公司的硬件工程師為了方便，統(tǒng)一選用1%精度的，這樣就不會出錯，也減少了BOM中的物料種類。那么問題來了，你公司的情況是這么一刀切，還是區(qū)分精度使用？最后，有了這次手工改板5千的教訓(xùn)，以后每次用電阻，我都會仔細(xì)檢查精度使用是否合理，也算是吃一塹長一智。另外，“電池電壓偵測電路”的兩個分壓電阻，后來改為了使用0.1%精度，會更靠譜。本次經(jīng)驗分享就到這里，感謝閱讀！

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