【巧秒电路设计】锂电池电压测量电路设计实现低功耗

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        【巧秒电路设计】锂电池电压测量电路设计实现低功耗        瑞生



        
        随着物联网的发展，单片机+锂电池，这种组合越来越普遍，单片机厂商也不断推出适合物联网的单片机。
先补充一下锂电池的基本知识…
锂电池在充满电的时候，是4.2V；在用完电的时候，不是0V，而是2.7V左右，每个厂家制作的锂电池，略有差异…
鉴于锂电池材料的局限性，电压超过4.2V，会发生危险，比如燃烧；电压低于2.7V左右，会造成无法再次充电，总之…
锂电池电压过高和过低，都会造成永久损坏，所以…
我们的产品在使用锂电池的时候，需要时刻监测锂电池电压。
充电的时候，不要超过4.2V，这个要求，需要产品中加入充电管理芯片，充电管理芯片会自动在4.2V的时候切断充电。
放电的时候，也就是产品在正常使用的时候，不要让锂电池电压低于2.7V，比如，在2.7V的时候，自动强制关机。
那么，锂电池电压监测电路应该怎么设计呢？


如上图所示，应该是初学者最先想到的办法。不过，仔细分析后会发现，有大问题，我们来分析一下···
VBAT连接到锂电池正极，通过两个电阻分压，连接到单片机的ADC引脚。ADC测到的电压，就是锂电池电压的一半···
因为锂电池的电压范围大概在2.7V到4.2V之间，所以ADC引脚的电压会在1.35~2.1V之间，不会超过普通单片机的3.3V电压，看起来很合理，不过···
当产品处于关机状态时，我们以为锂电池就不耗电了，其实，通过电路可以发现，锂电池其实还在通过2个10k的电阻耗电···
随着时间的推移，该产品放着放着电就减少了，而且当电池电压减少到2.7V以下时，就可能无法充起电来了···
我在国外的一款产品上，看到了这样的一个电路，当然，已经把它使用到我的产品当中···
上面电路，很巧妙的解决了这个问题，代价是电路板上多了1个MOS管和2个电阻，CTRL引脚是单片机的一个普通引脚，在单片机断电的时候，要求是高阻态，否则也会耗电···
这里加MOS管并不是用来控制“是否要测量电池电压”，而是为了在产品关机的时候，不要让锂电池电池的电压通过两个分压电阻。
此时，还有个问题要解决···
产品在正常使用的过程中，当电池电压小于3.3V时，LDO的输出电压，就不再是3.3V了，随着电池电压的减小，LDO的输出电压也会减小，此时…
如果一直使用3.3V作为基准来测量电池电压，就会出现错误，所以…
需要使用有基准电压引脚的单片机，或者有“内部参考电压”+“内部测量通道”功能的单片机···
用基准电压引脚计算电池电压，这个大家都清楚，我重点说一下“内部参考电压”+“内部测量通道”这个功能。
简单来说，有了“内部参考电压”+“内部测量通道”之后，我们就可以直接通过内部测量通道得到精确的VDD电压，而不必使用基准电压芯片了，毕竟···
基准电压芯片也挺贵的，还得在电路板上占个地方，以及多几分钱的焊接费用···
下面，我们以STC8G系列单片机为例来说一下。

STC8G的ADC第15通道，用来测量内部参考电压源，内部参考电压为1.19V，通过测量它的值，反推出VDD值。

1. unsigned int VDDA; // VDDA的电压值 单位毫伏
   
2. unsigned int *BGV; // 内部参考电压值 单位毫伏
   
3. ​
   
4. //ADC初始化
   
5. void ADC_Init(void)
   
6. {
   
7.   BGV = (int idata *)0xEF;
   
8.   ADCCFG = 0X2F; // 设置ADC时钟 = 24000000/2/16/512 = 1465Hz 转换结果右对齐
   
9. }
   
10. ​
    
11. unsigned int ADCRead(void)
    
12. {
    
13.   unsigned int res;
    
14. ​
    
15.   ADC_CONTR |= 0X40; // 启动AD转换
    
16.   _nop_();
    
17.   _nop_();
    
18.   while(!(ADC_CONTR&0X20)); // 查询ADC完成标志
    
19.   ADC_CONTR &= ~0X20;  // 清除完成标志
    
20.   res = (ADC_RES<<8)|ADC_RESL; //读取ADC结果
    
21. ​
    
22.   return res;
    
23. }
    
24. ​
    
25. void Fetch_VDDA(void)
    
26. {
    
27.   unsigned int res=0;
    
28.   unsigned char i;
    
29. ​
    
30.   ADC_CONTR = 0X8F; // 使能ADC模块 并选择第15通道
    
31.   ADCRead();
    
32.   ADCRead();
    
33.   for(i=0;i<8;i++)
    
34.   {
    
35.     res+=ADCRead();
    
36.   }
    
37.   res>>=3; // 读取8次 取平均值
    
38.   VDDA = (unsigned int)(1023L**BGV/res); // 得出的结果单位是毫伏
    
39. }

复制代码

上面代码，获得了真实的VDDA值，然后就可以计算出真实的电池电压。