痛苦踩坑“電池電壓偵測(cè)電路”，含淚總結(jié)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

時(shí)間：2021-08-19 15:09:13

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[導(dǎo)讀]▼點(diǎn)擊名片，關(guān)注公眾號(hào)▼做硬件，堆經(jīng)驗(yàn)。做過一個(gè)電紙書閱讀器的項(xiàng)目，和Kindle是同類產(chǎn)品：產(chǎn)品中用到一個(gè)“電池電壓偵測(cè)電路”，當(dāng)時(shí)在這個(gè)電路上踩坑了，電路本身倒是很簡(jiǎn)單：和大家分享這個(gè)電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以及當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)失誤，幫助大家積累經(jīng)驗(yàn)，以后不要踩這種坑。設(shè)計(jì)要點(diǎn)一：設(shè)定分壓...

▼點(diǎn)擊名片，關(guān)注公眾號(hào)▼做硬件，堆經(jīng)驗(yàn)。
做過一個(gè)電紙書閱讀器的項(xiàng)目，和Kindle是同類產(chǎn)品：產(chǎn)品中用到一個(gè)“電池電壓偵測(cè)電路”，當(dāng)時(shí)在這個(gè)電路上踩坑了，電路本身倒是很簡(jiǎn)單：

和大家分享這個(gè)電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以及當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)失誤，幫助大家積累經(jīng)驗(yàn)，以后不要踩這種坑。
設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(cè)電池電壓來(lái)判斷電池電量，是很常用的做法。偵測(cè)電池電壓的電路非常簡(jiǎn)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(lái)偵測(cè)電池電壓。

為什么要分壓？因?yàn)锳DC引腳可直接偵測(cè)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(lái)計(jì)算兩個(gè)電阻的分壓，也就是：

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

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

所以可以根據(jù)偵測(cè)到的電壓來(lái)算出電池電壓，也就是：

電池電壓 = 偵測(cè)到的電壓 x 3查看MCU的數(shù)據(jù)手冊(cè)，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(duì)地小。但又不能太小，因?yàn)檫@個(gè)電路會(huì)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(huì)導(dǎo)致關(guān)機(jī)功耗變大，這里消耗9.3uA：對(duì)閱讀器產(chǎn)品來(lái)說，可以接受了！

設(shè)計(jì)要點(diǎn)二：降低紋波電壓為了精確測(cè)量電池電壓，ADC引腳處的紋波電壓要小。這里用了電容C32來(lái)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(gè)MCU是BGA封裝）：

這里的走線不算短，不過經(jīng)測(cè)試紋波電壓小于50mV，滿足要求。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(shí)，經(jīng)實(shí)際測(cè)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(shí)，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(shí)際測(cè)試情況，軟件設(shè)定為當(dāng)偵測(cè)到電池電壓降到3.5V時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行關(guān)機(jī)。也就是：

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

有些電子產(chǎn)品本身功耗低，也不會(huì)瞬間拉取大電流，就可以在電池電壓更低時(shí)才關(guān)機(jī)。設(shè)計(jì)要點(diǎn)四：注意分壓電阻的精度這個(gè)電路很簡(jiǎn)單，電性能測(cè)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(tái)整機(jī)，各種測(cè)試都Pass，一切順利。于是就批量5千臺(tái)，準(zhǔn)備交第一批貨給客戶。這是個(gè)定制項(xiàng)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(shí)，我全程跟線。生產(chǎn)總體比較順利，我在產(chǎn)線上沒事的時(shí)候，無(wú)聊地檢查著電路圖：

突然心里一咯噔，發(fā)現(xiàn)這個(gè)電池電壓偵測(cè)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(cè)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(huì)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(huì)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(shí)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(lái)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(wàn)顆電阻。首先問產(chǎn)線拿了一盤精度為5%的電阻過來(lái)，測(cè)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(shí)測(cè)精度并沒有超過1%。測(cè)了幾十個(gè)，基本是這種情況。這就有點(diǎn)意思了，好像還可以?。Q還是不換呢，陷入了糾結(jié)。最后的決定是，保守一點(diǎn)，換！于是很苦逼，產(chǎn)線上的熟練焊工并不多，臨時(shí)給我找來(lái)一個(gè)，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(yàn)這個(gè)事情，是設(shè)計(jì)上還不夠細(xì)心，對(duì)這個(gè)電池電壓偵測(cè)電路的認(rèn)識(shí)不夠深刻，竟然沒有重點(diǎn)檢查電阻的精度。5%精度的電阻相對(duì)便宜，公司的出貨量非常大，單板的成本降低一點(diǎn)點(diǎn)，多出來(lái)的利潤(rùn)可以很可觀，所以大部分電阻是選用5%精度，個(gè)別有需要的地方才會(huì)用1%。所謂成本是設(shè)計(jì)出來(lái)的。值得一提的是，由于電阻精度對(duì)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(huì)出錯(cuò)，也減少了BOM中的物料種類。那么問題來(lái)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(huì)仔細(xì)檢查精度使用是否合理，也算是吃一塹長(zhǎng)一智。另外，“電池電壓偵測(cè)電路”的兩個(gè)分壓電阻，后來(lái)改為了使用0.1%精度，會(huì)更靠譜。本次經(jīng)驗(yàn)分享就到這里，感謝閱讀！

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