电池电压侦测电路设计，如何实现关机功耗为零？

电池电压侦测电路设计，如何实现关机功耗为零？

在便携式电子设备中，电池电压的准确检测对于设备的正常运行至关重要。然而，传统的分压电路在设备关机后仍会持续消耗电池电量。本文将介绍三种不同的电路设计方案，以实现真正的零功耗关机。

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：

其电池电压侦测电路非常简单：

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：

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？

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：

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。

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：

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：

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：

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。

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：

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。

具体原理见文章《带软开启功能的MOS管电源开关电路》（点击阅读），对PMOS管电源开关电路做了非常详细的介绍。

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:

而这颗MOS管AO3401A的Vgs的极限最大值正是±12V：

已达到参数上限。

这种情况可以加入一个电阻进行分压：

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。