电池电压侦测电路设计，如何实现关机功耗为零？

电子设计联盟 · 发表于 2024-12-11 07:30:00

便携式电子设备一般带有锂电池，其电量的计算，最廉价的方案是通过侦测电池的电压来实现。
比如曾经做过的一个电纸书阅读器的项目，也就是Kindle这类产品：

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其电池电压侦测电路非常简单：

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两个电阻对电池的电压进行分压，经过电容滤波后送给MCU的ADC管脚进行电压测量。
这个电路在系统关机后还会一直消耗电池的电量。以锂电池电压为4.2V为例，浪费的电流为9.3uA：

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9.3uA看似不大，在有些要求极致低功耗的应用场景，也是不能接受的。
如果MCU的ADC输入阻抗较小，那么两个分压电阻的取值要更小一些，比如30Kohm和15Kohm，浪费的电流就更大了，会达到93uA。
如何解决这个问题，实现关机功耗为0呢？
一、第1个推荐电路
在不进行电压测量时，把两个分压电阻的放电回路断开。加入一个NMOS管即可：

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单片机的GPIO，即MCU_Control控制MOS管Q1的栅极：
1、需要测量电池电压时输出高电平，将MOS管Q1打开。
2、不需要测量电池电压时输出低电平，将MOS管Q1关闭。
这个电路需要注意，在MOS管Q1关闭时，电阻R2没有参与分压，MCU的ADC引脚通过电阻R1直接连接到电池，需要注意ADC引脚是否能够承受锂电池4.2V的电压值。
二、第2个推荐电路
如果不能承受，那么把电路改动一下，将MOS管上移到两个电阻之间：

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假设MCU的GPIO输出的高电平为3.3V，即MCU_Control输出3.3V，那么在MOS管打开时各点电压如下：

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所以MOS管的Vgs = 3.3V - 1.4V = 1.9V。
查看MOS管AO3400的数据手册，其Vgs的范围是0.65V-1.45V：

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MOS管导通要求的Vgs最大值为1.45V，小于上述电路的1.9V，所以上述电路可以使用。
提醒大家在选型MOS管的型号时，务必注意Vgs这个参数。
如果MCU的GPIO是1.8V的，那必然不能把上述电路的MOS管打开。
三、第3个推荐电路
如果不能满足MOS管对Vgs最小值的要求，继续改进一下。
改进需要付出代价，下面不再使用NMOS，改为使用PMOS（同等参数情况下PMOS更贵），并加入更多的元器件。
将MOS管继续上移：

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1、当MCU_Control输出高电平时，三极管Q2打开，MOS管Q1打开，电阻R1、R2与电池Vbat连接形成放电回路，MCU_ADC可以进行电池电压侦测。
2、当MCU_Control输出低电平，或者MCU完全断电时，R6将三极管Q2的基极拉到地，三极管Q2关闭，MOS管Q1关闭，电阻R1、R2与电池Vbat断开。
另外需要注意MOS管对Vgs最大值的要求，不能超过最大值，否则MOS管会损坏。
假设电池电压Vbat为12V，在三极管Q2打开时，MOS管Q1的Vgs = -12V:

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而这颗MOS管AO3401A的Vgs的极限最大值正是±12V：

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已达到参数上限。
这种情况可以加入一个电阻进行分压：

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四、总结
本文从只有两个电阻进行分压的电路开始，为实现关机功耗为0，对电路进行扩展，并针对存在的问题逐步改进。
3种电路都有其适用范围，大家可以根据自己的产品功能特点进行选用。

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