Misurare la tensione della batteria agli ioni di litio (quindi la capacità rimanente)

Con cosa sto lavorando: sto eseguendo la mia scheda Arduino autoprodotta (nel senso che utilizzo il bootloader Arduino e l'editor di codice) a 3,3 V, e alimentata da una batteria agli ioni di litio, che viene caricata tramite USB da un microchip corrispondente caricabatterie IC.

Cosa sto cercando di ottenere: voglio misurare la capacità della batteria una volta ogni minuto o giù di lì. Ho un LCD collegato, quindi l'idea è che l'impostazione generale mi faccia sapere come sta andando la batteria in un dato momento. Il foglio dati della batteria ha una tensione rispetto alla curva del livello di scarica, e quindi misurando la tensione della batteria, posso stimare la capacità residua (molto approssimativamente ma abbastanza per me!).

Cosa ho fatto:

• (EDIT: valori dei resistori aggiornati e switch P-MOSFET aggiunto in base ai suggerimenti di @stevenvh e @ Jonny).

• Ho collegato un partitore di tensione dalla batteria V_plus, con la "porzione" più grande che va a un pin di lettura analogico (cioè ADC) sul chip Arduino / Atmega.

• Il divisore è da 33 KOhm a 10 KOhm, consentendo così la misurazione fino a un massimo di 4,1 Volt della batteria agli ioni di litio dal mio microcontrollore di livello da 3,3 V.

• Inoltre, utilizzando uno dei pin I / O collegati a un MOSFET a canale n, posso commutare la corrente attraverso il divisore solo quando ho bisogno della misurazione.

• Ecco uno schema approssimativo (aggiornato per la seconda volta sulla base dei suggerimenti di @stevenvh e @Nick):

La mia domanda:

• Come è la mia configurazione attuale?

• I miei unici vincoli sono: (1) Vorrei fare una misurazione approssimativa della capacità della batteria in base alla lettura della tensione, come descritto sopra. (2) Vorrei evitare che il divisore di tensione interferisca con la lettura della presenza della batteria da parte del mio IC di ricarica (nella mia configurazione originale, il divisore a volte causava una lettura errata dell'IC anche quando la batteria era assente).

Questo sembra essere molto simile allo schema di Nick, probabilmente era impegnato a disegnarlo quando ha pubblicato :-).

Innanzitutto perché non è possibile utilizzare l'N-FET sul lato alto: ha bisogno di una tensione di gate di qualche volt superiore alla sorgente e il 4,2 V è tutto ciò che hai, niente di più alto, quindi non funzionerà.

Ho un valore più alto per il pull-up, anche se lo farà anche un valore di 100 kΩ. 10 kΩ causerà una corrente extra non necessaria di 400 µA durante la misurazione. Non è la fine del mondo, ma è 1 resistenza in entrambi i casi, quindi perché non usare un valore più alto.

Per i MOSFET, ci sono una varietà di parti tra cui scegliere dato che i requisiti non sono così severi; puoi considerare quelli economici come, ad esempio, Si2303 per il canale P e BSS138 per il canale N.

@Inga. Questo è più un commento che una risposta. Ma vorrei pubblicare una foto, quindi la sto pubblicando come risposta.

Il microcontrollore (uC) è alimentato con + 3,3 V. Lo scarico del P-MOSFET proposto può arrivare fino a + 4,1 V. Dato che è attualmente disegnato, un segnale logico + 3.3V non sarà in grado di spegnere completamente il P-MOSFET. Q6 nello schema seguente forma un'uscita di drain aperta, che è tollerante a + 4,1 V.

C14 abbassa l'impedenza, che vedrà il tuo A / D.

[...] tensione della batteria (quindi capacità residua)

È possibile che il rilevamento della tensione della batteria non sia un modo preciso di rilevare la capacità residua. Nelle apparecchiature portatili (telefoni cellulari, laptop), la capacità della batteria viene stimata misurando la corrente in entrata e in uscita dalla batteria. Esistono dozzine di circuiti integrati specializzati per la misurazione del livello di carica della batteria ( ad esempio bq27200 ), che aiutano in questo compito.

Perché non un singolo MOSFET a canale N sul lato inferiore e il divisore a due resistori sul lato superiore?
[da un commento qui sotto]

Un interruttore lato basso ha problemi quando la tensione della batteria (V _bat ) è maggiore della tensione di alimentazione del microcontrollore (V _cc ). Quando l'interruttore del lato inferiore è disattivato, l'estremità di terra del divisore di tensione galleggia, il divisore non si divide più, l'intera tensione della batteria appare sul pin ADC del microcontrollore. Ciò può danneggiare l'UC. Creerà anche un percorso di dispersione attraverso il quale la batteria si scarica.
È richiesto un interruttore high-side quando V _bat > V _cc .

¹ Userò V _cc in breve, ma questa discussione si applica a V _dd , AV _cc , AV _dd pure. In caso di dubbi, cercare in una scheda tecnica, ovviamente.

Ad.A: Penso che sia abbastanza giusto usare un semplice divisore di tensione per rilevare la tensione della batteria. Tuttavia, dovresti scegliere attentamente la resistenza. L'impedenza interna degli ingressi ADC è di 100 kΩ, secondo la scheda tecnica ATmega328 . Vedere "Figura 23-8. Circuito di ingresso analogico". Se il divisore ha un'impedenza comparabile all'ingresso ADC, i circuiti di ingresso ADC si comporteranno sostanzialmente come un altro nodo nel divisore. Potrebbe darti degli offset nelle letture ADC.

L'uso di un divisore con un massimo di 10kΩ tra le guide sarebbe abbastanza basso da ignorare l'impedenza di ingresso dell'ADC, mentre si utilizzavano solo 410µA. Se questo è troppo per la tua applicazione, puoi ovviamente scegliere resistenze più grandi, ma tieni presente che l'ADC è lì ed è collegato a Vcc / 2.