干货 | 痛苦踩坑“电池电压侦测电路”，含泪总结设计要点

做硬件，堆经验。做过一个电纸书阅读器的项目，和Kindle是同类产品：

产品中用到一个“电池电压侦测电路”，当时在这个电路上踩坑了，电路本身倒是很简单：和大家分享这个电路的设计要点，以及当时的设计失误，帮助大家积累经验，以后不要踩这种坑。设计要点一：设定分压电阻的大小这种便携式掌上阅读器，当然是内置锂电池的：通过侦测电池电压来判断电池电量，是很常用的做法。侦测电池电压的电路非常简单：电池电压经过电阻R26和R62分压之后，给到主控芯片MCU的ADC引脚，通过ADC来侦测电池电压。为什么要分压？因为ADC引脚可直接侦测的电压范围没有4.2V这么高。在R62远远小于MCU的ADC引脚的输入阻抗的情况下，可以忽略ADC引脚的输入阻抗，这也是我们需要的。下面忽略ADC引脚的输入阻抗来计算两个电阻的分压，也就是：

• 侦测到的电压 = 电池电压  x  R62 / (R26 + R62)

• 侦测到的电压 = 电池电压  x  150 / (300 + 150)

• 侦测到的电压 = 电池电压  x  1 / 3

当电池电压为4.2V时，经过R26和R62分压，ADC引脚会侦测到1.4V：当电池电压为3.5V时，经过R26和R62分压，ADC引脚会侦测到1.17V：所以可以根据侦测到的电压来算出电池电压，也就是：电池电压 = 侦测到的电压 x 3查看MCU的数据手册，可以查到ADC引脚的输入阻抗。为了忽略ADC引脚输入阻抗的影响，R62要尽可能相对地小。但又不能太小，因为这个电路会一直消耗电池的电量，就算是关机状态下也一直在耗电。电阻太小会导致关机功耗变大，这里消耗9.3uA：对阅读器产品来说，可以接受了！设计要点二：降低纹波电压为了精确测量电池电压，ADC引脚处的纹波电压要小。这里用了电容C32来滤波：为了避免受到干扰，ADC引脚的走线要尽量短，远离干扰源，走线包地处理。ADC引脚处的走线高亮显示如下（这个MCU是BGA封装）：这里的走线不算短，不过经测试纹波电压小于50mV，满足要求。设计要点三：设定关机电压阅读器配套的锂电池，充满电是4.2V。在电压降到3.5V时，经实际测试，阅读器的系统电压还能保持稳定，但继续放电容易导致死机，所以设定3.5V为关机电压。参考一款锂电池的放电曲线图，以1A电流放电时，一开始放电曲线很平缓。放电到3.5V再往后一些，蓝色的放电曲线呈陡涯式下降，这就是为什么电压变得不稳定了。见下图蓝色曲线的最右侧那一段：根据这款产品的实际测试情况，软件设定为当侦测到电池电压降到3.5V时，系统执行关机。也就是：

• 电池电压为4.2V时，屏幕显示电量为100%；

• 电池电压为3.5V时，屏幕显示电量为0%，并执行关机动作。

有些电子产品本身功耗低，也不会瞬间拉取大电流，就可以在电池电压更低时才关机。设计要点四：注意分压电阻的精度这个电路很简单，电性能测试也没发现什么问题。试产了100片电路板，装了几十台整机，各种测试都Pass，一切顺利。于是就批量5千台，准备交第一批货给客户。这是个定制项目，早就拿到订单，已经临近约定交货的日子。第一次正式批量，还是要谨慎。在贴片厂生产时，我全程跟线。生产总体比较顺利，我在产线上没事的时候，无聊地检查着电路图：突然心里一咯噔，发现这个电池电压侦测电路，分压电阻的精度竟然是5%，不是1%！一下子就懵了！电池电压侦测的精度非常重要，要知道如果MCU把3.7V的电池电压判断为3.5V，虽然相差才0.2V，但是电量差得可多了，会导致提前很多就关机。更糟糕的是，如果MCU把3.5V的电池电压判断为3.7V，那么系统不会在正确的电压执行关机。继续使用的话，在MCU将电池电压判断为3.5V之前，可能已经出现死机的情况。当时马上问产线还能不能改BOM，要更换物料，产线答复说5千片马上就要贴完，现在下更改单来不及了。。。悲剧了，只能考虑是否手工改板了。把板上5%精度的换成1%精度的，每块板要改2颗电阻，一共就是一万颗电阻。首先问产线拿了一盘精度为5%的电阻过来，测试看偏差具体是多少。结果发现虽然标称5%精度，实测精度并没有超过1%。测了几十个，基本是这种情况。这就有点意思了，好像还可以啊！换还是不换呢，陷入了纠结。最后的决定是，保守一点，换！于是很苦逼，产线上的熟练焊工并不多，临时给我找来一个，我俩一起改板5千片。一边改板，一边客户那里催着交货，真是惨痛的教训！最后：复盘经验这个事情，是设计上还不够细心，对这个电池电压侦测电路的认识不够深刻，竟然没有重点检查电阻的精度。5%精度的电阻相对便宜，公司的出货量非常大，单板的成本降低一点点，多出来的利润可以很可观，所以大部分电阻是选用5%精度，个别有需要的地方才会用1%。所谓成本是设计出来的。值得一提的是，由于电阻精度对单板的成本影响较小，有些公司的硬件工程师为了方便，统一选用1%精度的，这样就不会出错，也减少了BOM中的物料种类。那么问题来了，你公司的情况是这么一刀切，还是区分精度使用？最后，有了这次手工改板5千的教训，以后每次用电阻，我都会仔细检查精度使用是否合理，也算是吃一堑长一智。另外，“电池电压侦测电路”的两个分压电阻，后来改为了使用0.1%精度，会更靠谱。