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(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??!換還是不換呢,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),多出來的利潤可以很可觀,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,也算是吃一塹長一智。
另外,“電池電壓偵測(cè)電路”的兩個(gè)分壓電阻,后來改為了使用0.1%精度,會(huì)更靠譜。
(來源:公眾號(hào)電路啊;作者:LR梁銳)