STM32 电池电压采集之低功耗设计_单片机电池电压采样电路

STM32 电池电压采集之低功耗设计

前言

最近在搞一个小项目用到了电池电量采集，工作时必须带有电池电压检测（3.3V-4.2V）。在网上¹看到了一个低功耗产品教程可实现电池电压精确ADC采集，特此记录学习。
当我们利用单片机ADC采样功能，采集电流电压信号时，单片机的IO口输入电压范围是0~3.3V，所以为了保证安全，需要把测量电压保持在这个范围之内。

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、ADC采集输入阻抗的问题

初始设计是用两个阻值相同电阻分压直接进行ADC采集，阻值1M，由该电路引起的待机电流为4.2/（1000 +1000）mA=2.1uA，此时比较合理。

编程采集数据时发现测试电压与实际电压有偏差，测试值总比实际值偏小一点。在软件上做补偿，把值修正了。
但是换一个板子测试的时候发现测试的电压又不准了，此时知道通过软件补偿这种方法行不通。那么只能从硬件找原因。
查找datasheet发现AD的输入阻抗最大只有50KΩ。


图中R_AIN：外部输入阻抗，STM32L051芯片中这个值最大为50KΩ；STM32F103²芯片中这个值最大为350KΩ；
R_ADC：采样开关电阻，最大值为1KΩ；
C_ADC：内部采样和保持电容，最大值为8pF；STM32F103²这个值最大为12pF。
在ADC数据采集的时候需要有电流流入，那么R_AIN会产生一个压降。阻容网络中的R_ADC和C_ADC上，对电容的充电由R_ADC控制。随着源电阻(R_ADC)的增加，对保持电容的充电时间也相应增加。
对C_ADC的充电由R_AIN+R_ADC控制，因此充电时间常数为tc = (R_ADC + R_AIN) × C_ADC。如果时间过短，ADC转换的数值会小于实际值。
通过以上数据知道，采集精度跟采集时间和输入阻抗有关。但是通过计算得知，如果输入阻抗为300KΩ，那么充电时间约为2.4uS。在软件上把采样周期调到最大（ADC_SampleTime_239_5Cycles，频率为12M，时间19.9uS）,还是存在误差。说明此时跟周期不是主要原因。
问题出在输如阻抗大于IC里ADC允许的最大阻抗。充电时电流分两路，一路经过R1到R2到地，还有一路经过R1流入MCU的AD接口。（不知是不是IO口会有一定的漏电流到地，I_L）此时相当于在R2旁边并了一个电阻到地，检测点的电压不是标准的1/2V_bat.

二、改进方法

下面介绍三个设计方案，方案一、二测试有效、方案三参考 TI 的 bq76930 产品说明书，仅供参考。

1.1加入运放同相放大（电压跟随器）

由上面调试可以确定是AD采集输入阻抗过大的问题，加入电压跟随器后的阻抗可以低至毫欧级，因此选用一个低功耗（待机600nA，输入阻抗1TΩ）的电压跟随器可以完美解决这个问题。
待机时U1的供电被切断，主要功耗来自R5，R6回路。待机电流为4.2/（2000 +2000）mA=1.05uA
此种方案成本较高，但稳定度和精确度高。
电路如下：

1.2加入运放差分放大

同样是利用运放进行电压，电流放大，采用差分放抗干扰能力比同相更高。
待机时U2的供电被切断，主要功耗来自R5，R6回路。待机电流为4.2/（2000 +2000）mA=1.05uA
电路如下：

2.休眠时控制参考地

分压电阻选用在阻抗以内的阻值，工作时采集电流高点可以忽略，休眠时通过单片机控制采集电路GND来减小功耗。单片机休眠时将PA4拉高，待机电流为（4.2-3.3）V/（50+50）mA=9uA。此种方案电路设计最为简单。
电路如下：

3.MOS管关断控制参考地

用MOS管控制电量采集开关，此种方法休眠时电流最小，几乎不计。休眠时PA4为低电平关断测量分压电阻不耗电，要测量前置高，在PA5测量电压。
电路如下：

总结

上面介绍三个设计方案，方案一、二测试有效、方案三参考其他博客大牛，还未验证，仅供参考。关于低功耗方面的硬件方案思路很多，各位小伙伴可以大胆构思，小心求证。