项目文档

任务介绍

设计一款能实时显示锂电池电压和剩余电量的模块。

题目要求：

• 使用单节 3.7V 锂电池（4.2V 满电）
• 支持电压、电量的实时显示
• 使用 4 位数码管作为显示界面
• 具备低电量报警功能（电压低于阈值时蜂鸣器+LED 报警）
• PCB 尺寸控制在 50mm × 30mm 范围内

模块介绍

本次设计采用 BQ27441 电量计芯片，结合电流分流电阻实现电荷计量，并通过 I²C 与 MCU 通信。MCU 进行数据处理并驱动 4 位 7 段数码管，实现电压与电量的循环显示。模块还设计了低电量报警电路，当 SOC 低于设定值时蜂鸣器与 LED 提示。

• 电源接口 (J1)： 电池输入端，支持单节 3.7V 锂电池。
• • Pin1：BAT+
  • Pin2：GND
• 逻辑电源接口 (J2)： 提供 3.3V 工作电压（由 LDO 转换）。
• • Pin1：VCC
  • Pin2：GND
• I²C 通信接口 (JP3)：
• • Pin1：SDA
  • Pin2：SCL
  • Pin3：GND
• 显示接口 (JP4)： 数码管段选与位选信号（a–g, dp, DIG1–4），每段串联限流电阻。
• 报警接口 (JP5)：
• • Pin1：蜂鸣器
  • Pin2：LED
  • Pin3：GND

BQ27441芯片DigiKey链接：BQ27441DRZR-G1A Texas Instruments | 集成电路（IC） | DigiKey

原理图和 PCB 模块介绍

原理图

电路由以下部分组成：

1. 电量计电路：BQ27441 通过分流电阻采样电流，采样电池电压并计算剩余电量。
2. 显示电路：4 位共阳极数码管，段线串 510 Ω 电阻，采用动态扫描方式显示电压和电量。
3. 电源电路：LDO 稳压芯片提供稳定 3.3V 电压，输入电容和去耦电容保证电源稳定。
4. 报警电路：MCU 控制蜂鸣器与 LED，当电量低于阈值时报警。

• 布局：电源与数码管显示部分分区布线，减少噪声耦合；高电流路径加宽铜皮。
• 接插件：统一使用 JST-PH2、排针接口，方便与电池和主控板连接。
• 3D 效果图：数码管居上，接口居下，便于观察与接线。

模块主要性能指标与管脚定义

主要性能指标

• 模块类型：锂电池电量显示模块
• 核心芯片：BQ27441（I²C 电量计）
• 电池类型：单节 3.7V 锂电池
• 显示方式：4 位 7 段数码管
• 电压显示范围：3.0V–4.2V
• 电量显示：0%–100%
• 报警功能：电量 <20% 或 电压 <3.5V 报警
• PCB 尺寸：50mm × 30mm

管脚定义

板上设置及标识

• D1：电源指示灯，电池正常供电时点亮。
• R9–R15：段选限流电阻，典型值 510 Ω。
• OE 管脚：可设置数码管显示使能/关闭。
• JP 设置：允许选择电池电源或外部 3.3V 供电模式。

eZ-PLM 项目管理

• 将本项目上传至 eZ-PLM 系统，方便版本迭代与物料管理。
• DigiKey 器件（BQ27441PW、LDO、分流电阻、数码管）均有货且可正常采购。
• eZ-PLM 系统可对 BOM 清单、Gerber 文件、原理图进行归档与追溯。

心得体会

在设计电量显示模块过程中，主要遇到以下问题并逐步解决：

1. 电源与接地布线：电池电流较大，若走线过细会导致电压下降，后续通过加宽电源铜皮并优化地平面解决。
2. I²C 信号完整性：在初始测试时发现 SDA/SCL 信号有毛刺，通过增加上拉电阻并缩短走线改善。
3. 显示驱动电流：4 位数码管同时点亮时电流过大，采用动态扫描方式减少瞬时电流，保证 MCU 驱动能力。
4. 低电量报警逻辑：初版软件在阈值附近反复报警，通过加入电压/电量迟滞判断，避免了抖动。

通过本次设计，不仅熟悉了 BQ27441 电量计芯片 的应用，还掌握了 电池电源管理、I²C 信号设计与数码管动态扫描显示 的要点。未来可以在此基础上扩展 OLED 显示 或 无线电量上传 功能，提升模块的应用场景。