總結電池電壓偵測電路設計要點 避坑指南

做硬件，堆經驗。

做過一個電紙書閱讀器的項目，和Kindle是同類產品：

產品中用到一個“電池電壓偵測電路”，當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計要點，以及當時的設計失誤，幫助大家積累經驗，以后不要踩這種坑。

設計要點一：設定分壓電阻的大小

這種便攜式掌上閱讀器，當然是內置鋰電池的：

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遠遠小于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：

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

當電池電壓為4.2V時，經過R26和R62分壓，ADC引腳會偵測到1.4V：

當電池電壓為3.5V時，經過R26和R62分壓，ADC引腳會偵測到1.17V：

所以可以根據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的數據手冊，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，就算是關機狀態下也一直在耗電。

電阻太小會導致關機功耗變大，這里消耗9.3uA：

對閱讀器產品來說，可以接受了！

設計要點二：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，不過經測試紋波電壓小于50mV，滿足要求。

設計要點三：設定關機電壓

閱讀器配套的鋰電池，充滿電是4.2V。

在電壓降到3.5V時，經實際測試，閱讀器的系統電壓還能保持穩定，但繼續放電容易導致死機，所以設定3.5V為關機電壓。

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，藍色的放電曲線呈陡涯式下降，這就是為什么電壓變得不穩定了。

根據這款產品的實際測試情況，軟件設定為當偵測到電池電壓降到3.5V時，系統執行關機。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%，并執行關機動作。

有些電子產品本身功耗低，也不會瞬間拉取大電流，就可以在電池電壓更低時才關機。

設計要點四：注意分壓電阻的精度

這個電路很簡單，電性能測試也沒發現什么問題。

試產了100片電路板，裝了幾十臺整機，各種測試都Pass，一切順利。

于是就批量5千臺，準備交第一批貨給客戶。

這是個定制項目，早就拿到訂單，已經臨近約定交貨的日子。

第一次正式批量，還是要謹慎。在貼片廠生產時，我全程跟線。

生產總體比較順利，我在產線上沒事的時候，無聊地檢查著電路圖：

突然心里一咯噔，發現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，會導致提前很多就關機。

更糟糕的是，如果MCU把3.5V的電池電壓判斷為3.7V，那么系統不會在正確的電壓執行關機。繼續使用的話，在MCU將電池電壓判斷為3.5V之前，可能已經出現死機的情況。

當時馬上問產線還能不能改BOM，要更換物料，產線答復說5千片馬上就要貼完，現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。結果發現雖然標稱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。

最后的決定是，保守一點，換！

于是很苦逼，產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！

最后：復盤經驗

這個事情，是設計上還不夠細心，對這個電池電壓偵測電路的認識不夠深刻，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，還是區分精度使用？

最后，有了這次手工改板5千的教訓，以后每次用電阻，我都會仔細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。

編輯：jq