# Hardware-Dokumentation: Energieversorgung

## Inhaltsverzeichnis

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- [Hardware-Dokumentation: Energieversorgung](#hardware-dokumentation-energieversorgung)
  - [Inhaltsverzeichnis](#inhaltsverzeichnis)
  - [Übersicht](#übersicht)
    - [Primäre Energiequellen](#primäre-energiequellen)
    - [Interne Spannungsversorgungen](#interne-spannungsversorgungen)
    - [Systemarchitektur](#systemarchitektur)
  - [Detailbeschreibung](#detailbeschreibung)
    - [Externe Energiequellen](#externe-energiequellen)
      - [USB-C-Anschluss](#usb-c-anschluss)
      - [Debug-Anschluss](#debug-anschluss)
    - [Batteriesystem](#batteriesystem)
      - [Li-Ion-Akku](#li-ion-akku)
      - [Akkuschutzschaltung](#akkuschutzschaltung)
      - [Fuel Gauge](#fuel-gauge)
      - [Backup-Batterie (CR1220)](#backup-batterie-cr1220)
    - [Energiebilanzierung](#energiebilanzierung)
      - [Ausgangsdaten](#ausgangsdaten)
      - [Verbrauchsanalyse](#verbrauchsanalyse)
    - [Spannungswandlung](#spannungswandlung)
      - [Power-Multiplexer (Externe Quellen)](#power-multiplexer-externe-quellen)
      - [Ladeschaltung](#ladeschaltung)
      - [Buck-Boost-Wandler (3,3 V)](#buck-boost-wandler-33-v)
      - [SD-Karten-Schalter](#sd-karten-schalter)
      - [Low-Dropout-Regulator (3,3 V)](#low-dropout-regulator-33-v)
      - [VBackup-Multiplexer](#vbackup-multiplexer)
  - [Bauteilauslegung](#bauteilauslegung)
    - [N-Kanal-MOSFETs](#n-kanal-mosfets)
    - [P-Kanal-MOSFETs](#p-kanal-mosfets)
  - [Referenzen und Datenblätter](#referenzen-und-datenblätter)
    - [Energiemanagement-ICs](#energiemanagement-ics)
    - [USB-Erkennung](#usb-erkennung)
    - [Spannungsregler](#spannungsregler)
    - [Diskrete Halbleiter](#diskrete-halbleiter)

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## Übersicht

Das Energieversorgungssystem des PowerProfilers basiert auf einem dreistufigen Konzept:

### Primäre Energiequellen
- **Externe Versorgung:** USB-C-Anschluss und Debug-Anschluss
- **Hauptenergie:** 1S Li-Ion/LiPo-Akkupack (2×18650 parallel)
- **Backup-Versorgung:** CR1220-Knopfzelle für RTC-Erhaltung

### Interne Spannungsversorgungen
Das System generiert vier verschiedene Versorgungsspannungen:

| Versorgung | Funktion | Quelle | Schaltbar |
|------------|----------|---------|-----------|
| **VDD** | Hauptversorgung (MCU, Sensoren, Flash) | [Buck-Boost-Wandler](#buck-boost-wandler-33-v) | ✓ |
| **VDDSD** | MicroSD-Kartenslot | [Buck-Boost-Wandler](#buck-boost-wandler-33-v) | ✓ |
| **VRTC** | RTC und MCU-VBAT | [VRTC-Multiplexer](#vrtc-multiplexer) | – |
| **VBACKUP** | RTC-Backup | [CR1220-Zelle](#backup-batterie-cr1220) | – |

### Systemarchitektur

```mermaid
graph TD
    subgraph "Externe Energiequellen"
        USBC[ USB-C-Anschluss ]
        DEBUG[ Debug-Anschluss ]
    end
    
    subgraph "Batteriesystem"
        LIPO[( Li-Ion Akkupack<br/>2×18650 parallel )]
        PROTECTION[ Akkuschutzschaltung<br/>XB4908A ]
        GAUGE[ Fuel Gauge<br/>bq27441-G1 ]
        CR1220[( CR1220<br/>Backup-Batterie )]
    end
    
    subgraph "Energiemanagement"
        CHARGER[ Ladeschaltung<br/>BQ25672 ]
        DCDC[ Buck-Boost-Wandler<br/>TPS63020 ]
        LDO[ LDO-Regler<br/>XC6206P332MR-G ]
        PMUX_BACKUP[ VRTC-Multiplexer<br/>Diskrete Lösung ]
        SDSWITCH[ SD-Schalter<br/>P-MOSFET ]
    end
    
    subgraph "Versorgungsausgänge"
        VDD[ VDD<br/>3,3V Haupt ]
        VDDSD[ VDDSD<br/>3,3V SD-Karte ]
        VRTC[ VRTC<br/>3,3V RTC ]
        VBACKUP[ VBACKUP<br/>3V Backup ]
    end
    
    USBC --> CHARGER
    DEBUG --> CHARGER
    CHARGER <--> GAUGE
    GAUGE <--> PROTECTION
    PROTECTION <--> LIPO
    
    CHARGER --> DCDC
    CHARGER --> LDO
    
    DCDC --> VDD
    DCDC --> SDSWITCH --> VDDSD
    DCDC --> PMUX_BACKUP
    LDO --> PMUX_BACKUP
    PMUX_BACKUP --> VRTC
    
    CR1220 --> VBACKUP
```

## Detailbeschreibung

### Externe Energiequellen

#### USB-C-Anschluss
Der USB-C-Anschluss dient der Datenübertragung und Energieversorgung. Das Gerät ist kompatibel mit:
- Standard-PC/Laptop-USB-Anschlüssen
- USB-C-Ladegeräten (Smartphone, Laptop)
- USB Power Delivery (USB-PD) Quellen

Die Ladeschaltung erkennt automatisch die verfügbare Stromstärke über:
- **CC-Leitungen:** USB-C-konforme Stromerkennung (bis 3 A)
- **Datenleitung-Analyse:** USB Battery Charging Detection (BCD) über bq24239

#### Debug-Anschluss
Für den Betrieb mit ausschliesslich angeschlossenem Debugger kann über den Debug-Anschluss eine 5-V-Versorgung eingespeist werden. Aufgrund der typischerweise begrenzten Stromstärke von Debug-Adaptern ist der maximale Stromverbrauch auf 300 mA begrenzt.

### Batteriesystem

#### Li-Ion-Akku
**Konfiguration:** 2×18650-Zellen in Parallelschaltung  
**Verbindung:** Verschweisste Nickelstreifen mit integriertem NTC-Temperatursensor  
**Anschluss:** 4-polige Verbindung zur Hauptplatine

| Anschluss | Funktion |
|-----------|----------|
| BAT+ | Positive Akkuspannung |
| BAT- | Negative Akkuspannung (schaltbar durch Schutzschaltung) |
| NTC | Temperatursensor |
| GND | Referenzmasse für NTC |

Die separate GND-Verbindung für den NTC-Sensor verhindert Potentialprobleme bei ausgelöster Schutzschaltung, da der Temperatursensor weiterhin an einer definierten Referenz angeschlossen bleibt.

#### Akkuschutzschaltung
**Baustein:** XB4908A (XySemi)  
**Typ:** Integrierte Li-Ion-Schutzschaltung mit MOSFETs

Die Schutzschaltung überwacht und schützt vor:
- **Überladung:** Abschaltung bei >4,30 V, Wiedereinschaltung bei <4,10 V
- **Tiefentladung:** Abschaltung bei <2,4 V, Wiedereinschaltung bei >3,0 V  
- **Überstrom:** Schutz bei >6 A (Entladung) bzw. >4 A (Ladung)

**Schlüsselparameter:**

| Parameter | Symbol | Wert |
|-----------|--------|------|
| Betriebsstrom | I_OPE | typ. 3,3 μA |
| Standby-Strom | I_PD | typ. 1,8 μA |
| Innenwiderstand | R_SS(on) | typ. 13,5 mΩ |
| Thermischer Widerstand | θ_JC | 100 K/W |

**Thermische Auslegung:**
Bei maximaler Strombelastung (3 A) beträgt die Verlustleistung:
$$P_{loss} = R_{SS(on)} \cdot I^2 = 20\text{ mΩ} \cdot (3\text{ A})^2 = 180\text{ mW}$$

Dies führt zu einer Temperaturerhöhung von:
$$\Delta T = P_{loss} \cdot \theta_{JC} = 180\text{ mW} \cdot 100\text{ K/W} = 18\text{ K}$$

#### Fuel Gauge
**Baustein:** bq27441-G1 (Texas Instruments)  
**Shunt-Widerstand:** 0,01 Ω (1206-Gehäuse für Kelvin-Verbindung)

Die Fuel Gauge überwacht kontinuierlich:
- Akkuspannung und -strom
- Ladezustand (State of Charge, SOC)
- Verbleibende Kapazität
- Gesundheitszustand (State of Health, SOH)

**Temperaturerfassung:**
- **Betriebsmodus:** Temperaturwerte vom Lader-IC über I²C
- **Ruhemodus:** Interner Temperatursensor der Fuel Gauge
- **Übergangsstrategie:** Gesteuerte Umschaltung durch RTC-Wake-up

```mermaid
stateDiagram-v2
    [*] --> Aktiv: Gerät eingeschaltet
    Aktiv --> Nachlauf: Gerät ausgeschaltet
    Nachlauf --> Tiefschlaf: Temperatur stabil<br/>oder 1h vergangen
    Tiefschlaf --> Aktiv: Gerät eingeschaltet
    
    note right of Nachlauf
        DC/DC-Wandler wird periodisch
        von RTC gestartet für
        Temperaturübertragung
    end note
    
    note left of Tiefschlaf
        DC/DC-Wandler ausgeschaltet
        Fuel Gauge verwendet
        internen Temperatursensor
    end note
```

#### Backup-Batterie (CR1220)
**Typ:** Lithium-Knopfzelle CR1220  
**Funktion:** Backup-Versorgung für RTC bei Akkuausfall  
**Lebensdauer:** >10 Jahre (bei primärer Versorgung über Li-Ion-Akku)

### Energiebilanzierung

Um die Tiefentladung des Akkupacks zu verhindern, schaltet das System bei Unterschreitung einer kritischen Akkuspannung (3,0 V) in einen Deep-Power-Down-Modus. In diesem Zustand werden Lader und Fuel Gauge in energiesparende Modi versetzt.

**Power-Management-Strategie:**
```mermaid
stateDiagram-v2
    [*] --> Normalbetrieb
    Normalbetrieb --> DeepPowerDown: Akkuspannung < 3,0 V
    DeepPowerDown --> Aufwachen: Externe Versorgung<br/>angeschlossen
    Aufwachen --> Normalbetrieb: MCU startet System
    
    note right of DeepPowerDown
        • Lader in Ship-Modus
        • Fuel Gauge in Shutdown
        • Minimaler Stromverbrauch
    end note
    
    note left of Aufwachen
        • Lader erwacht automatisch
        • MCU muss Fuel Gauge
          über GP-Pin aktivieren
    end note
```

#### Ausgangsdaten
**Akkukonfiguration:** 2×18650-Zellen parallel

| Parameter | Spezifikation | Konservative Auslegung |
|-----------|---------------|------------------------|
| Nennkapazität | 2×3200 mAh | 2×2600 mAh |
| Nutzbare Kapazität | 6400 mAh | 5200 mAh |
| Nach Alterung (80%) | 5120 mAh | 4160 mAh |
| **Kritische Reserve** | **640 mAh** | **41 mAh** |

Die kritische Reserve ist die verfügbare Energie zwischen 3,0 V (Deep-Power-Down-Schwelle) und 2,5 V (chemisch kritische Spannung).

#### Verbrauchsanalyse
**Stromverbrauch im Deep-Power-Down-Modus (Worst Case):**

| Baustein | Stromverbrauch | Bemerkung |
|----------|----------------|-----------|
| XB4908A (Akkuschutz) | 6 μA | Datenblattangabe |
| bq27441-G1 (Fuel Gauge) | 1 μA | Geschätzt (typ. 0,6 μA) |
| BQ25672 (Lader) | 1 μA | Ship-Modus |
| **Gesamtverbrauch** | **8 μA** | |

**Standzeit-Berechnung:**
$$t_{standby} = \frac{Q_{reserve}}{I_{total}} = \frac{41\text{ mAh}}{8\text{ μA}} = 5125\text{ h} = 213\text{ Tage}$$

Diese Standzeit von über 7 Monaten gewährleistet ausreichend Schutz vor Tiefentladung, selbst unter Worst-Case-Bedingungen und ohne Berücksichtigung der Selbstentladung.

### Spannungswandlung

#### Ladeschaltung
**Hauptbaustein:** BQ25672 (Texas Instruments)  
**Typ:** Hochintegrierter Buck-Boost-Lader mit integriertem Power-Multiplexer

Der BQ25672 wurde als Hauptladeschaltung gewählt und bietet alle erforderlichen Funktionen in einem einzigen IC.

**Kernfunktionen des BQ25672:**
- Integrierter bidirektionaler Power-Multiplexer für externe Quellen
- Einstellbarer Ladestrom bis 4,5 A (über I²C)
- Einstellbare Eingangsstrombegrenzung bis 3 A
- Buck-Boost-Architektur für optimale Effizienz
- Automatische USB-Ladegeräteerkennung (USB BC1.2, USB-C, HVDCP)
- Ship-Modus für minimalen Stromverbrauch
- Integrierte Power-MOSFETs und Schutzfunktionen

**Systemintegration:**
```mermaid
graph LR
    USBC[USB-C-Anschluss] --> MUX[Integrierter Power-MUX]
    DEBUG[Debug-Anschluss] --> MUX
    MUX --> CHARGER[BQ25672 Core]
    USBC -- CC1/CC2 --> MCU[Mikrocontroller]
    MCU -- I²C --> CHARGER
    CHARGER --> SYSTEM[Systemversorgung]
```

**Vorteile der integrierten Lösung:**
- Reduzierte Bauteilanzahl durch integrierten Power-Multiplexer
- Optimierte Effizienz durch abgestimmte Regelkreise
- Vereinfachtes Layout ohne externe MOSFETs für Quellenumschaltung
- Automatische Ladegeräteerkennung ohne zusätzliche ICs

#### Buck-Boost-Wandler (3,3 V)
**Baustein:** TPS63020 (Texas Instruments)  
**Funktion:** Hauptspannungsversorgung für MCU, Sensoren und Flash-Speicher

Der TPS63020 wurde aufgrund der variablen Li-Ion-Akkuspannung (3,0 V - 4,2 V) als Buck-Boost-Wandler ausgewählt.

**Technische Vorteile:**
- Sehr hohe Effizienz über den gesamten Eingangsspannungsbereich
- Integrierte Power-MOSFETs (kein externes Switching erforderlich)
- Hohe Schaltfrequenz → kompakte Induktivitäten möglich
- Ultra-low Shutdown-Strom bei Deaktivierung

**Wake-up-Logik:**
Der Wandler wird über ein Wired-OR-Gatter aus mehreren Quellen aktiviert:

```mermaid
graph TD
    BUTTON[Einschalttaster] --> DIODE1[Diode]
    RTC[RTC-Wake-up] --> DIODE2[Diode]
    CHARGER[Lader-Wake-up] --> DIODE3[Diode]
    
    DIODE1 --> OR[Wired-OR]
    DIODE2 --> OR
    DIODE3 --> OR
    
    OR --> NMOS[N-MOSFET<br/>Inverter]
    
    MCU[Mikrocontroller] --> LATCH[Self-Latching]
    
    NMOS --> DIODE4[Diode]
    LATCH --> DIODE5[Diode]
    
    DIODE4 --> ENABLE[TPS63020<br/>Enable-Eingang]
    DIODE5 --> ENABLE
```

#### SD-Karten-Schalter
**Implementation:** P-Kanal-MOSFET (Load Switch)  
**Steuerung:** Mikrocontroller-GPIO mit RC-Gatebeschaltung

SD-Karten können auch im Idle-Zustand signifikanten Stromverbrauch aufweisen. Der schaltbare SD-Kartenslot ermöglicht eine vollständige Trennung der Versorgung bei Nichtbenutzung.

**RC-Gatebeschaltung:** Um hohe Stromspitzen auf die Kondensatoren der SD-Karte zu vermeiden, wird das Gate des P-MOSFETs über eine RC-Schaltung angesteuert. Dies sorgt für eine kontrollierte Anstiegszeit der Versorgungsspannung.

#### Low-Dropout-Regulator (3,3 V)
**Baustein:** XC6206P332MR-G (Torex)  
**Funktion:** RTC- und VBAT-Versorgung bei deaktiviertem DC/DC-Wandler

**Schlüsselparameter:**
- Eigenverbrauch: 1 μA (typisch)
- Dropout-Spannung: 160 mV @ 100 mA
- Ausgangsspannung: 3,3 V ±2%

**Dropout-Verhalten:**
Bei Akkuspannungen unter 3,3 V arbeitet der LDO im Dropout-Bereich, wobei die Ausgangsspannung der Eingangsspannung minus Dropout-Spannung folgt. Dies kann zu I²C-Pegelkonflikten führen, weshalb der VRTC-Multiplexer bei aktivem DC/DC-Wandler auf VDD umschaltet.

#### VRTC-Multiplexer
**Implementation:** Diskrete Lösung mit Schottky-Dioden und P-Kanal-MOSFET  
**Funktion:** Intelligente Umschaltung zwischen DC/DC-Wandler und LDO für VRTC

![VRTC-Multiplexer Schaltung](img/power_backup_mux.svg)

**Funktionsprinzip:**

**LDO-Betrieb (DC/DC-Wandler inaktiv):**
Bei ausgeschaltetem DC/DC-Wandler wird das Gate von `Q1` über `R2` nach GND gezogen, wodurch der N-Kanal-MOSFET ausgeschaltet bleibt. Das Gate von `Q2` wird über `R5` auf die Spannung an der Source gezogen, wodurch auch dieser P-Kanal-MOSFET ausgeschaltet bleibt. Die Versorgung von `VRTC` erfolgt über die Schottky-Diode `D1` direkt vom LDO.

**DC/DC-Betrieb (DC/DC-Wandler aktiv):**
Beim Einschalten des DC/DC-Wandlers wird von diesem das `Power Good`-Signal (Open-Drain-Ausgang) zunächst auf GND gezogen. `Q1` bleibt sperrend, der Mikrocontroller verbleibt im Reset-Zustand. Sobald die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers stabil ist, schaltet dieser den Open-Drain-Ausgang `Power Good` frei, wodurch das Gate von `Q1` über `R1` auf 3,3 V gezogen wird. `Q1` wird leitend und zieht folglich das Gate von `Q2` über den leitenden `Q1` auf GND, wodurch auch `Q2` leitend wird.

Der Stromfluss vom LDO über `D1` wird unterbunden, da die Ausgangsspannung des LDO gleich gross oder kleiner als die des DC/DC-Wandlers ist. Die Versorgung von `VRTC` erfolgt nun direkt über `Q2` vom DC/DC-Wandler.

**Prioritätenschema:**
1. **Priorität 1:** VDD (DC/DC-Wandler aktiv) - Direktversorgung über `Q2`
2. **Priorität 2:** LDO-Ausgang (DC/DC-Wandler inaktiv) - Versorgung über `D1`

**Systemvorteile:**
- Unterbrechungsfreie Versorgung der RTC während Umschaltungen
- Einheitliche Signalpegel für I²C-Kommunikation bei aktivem DC/DC-Wandler
- Automatische Umschaltung ohne Mikrocontroller-Eingriff
- Minimaler Spannungsabfall durch direkte MOSFET-Schaltung bei hoher Priorität
- Sequenzielle Aktivierung verhindert Spannungsspitzen während des Starts

## Bauteilauslegung

### Ladeelektronik

Basierend auf den Anforderungen des Designs (max. Ladestrom 4,5 A, max. Eingangsstrom 3 A) und der System-Topologie (BQ25672, TPS63020) wurden die folgenden Hauptkomponenten für die Leistungselektronik ausgewählt und bewertet.

#### Induktivitäten

Es werden zwei unterschiedliche, für ihren jeweiligen Zweck optimierte Induktivitäten verwendet.

**Lader (BQ25672):**
- **Betriebspunkt:** f_SW = 750 kHz (Modus für hohe Effizienz)
- **Benötigte Induktivität:** L = 2,2 μH
- **Gewähltes Bauteil:** FTC404030S2R2MGCA (Cjiang)

**Begründung:**
Die Auswahl erfolgte aufgrund der hohen Robustheit des Bauteils. Die Nennströme der Induktivität bieten eine grosse Sicherheitsmarge gegenüber den Anforderungen der Applikation:
- **Thermischer Nennstrom (I_rms):** 8,5 A (deutlich über dem max. Ladestrom von 4,5 A, was eine geringe Eigenerwärmung sicherstellt)
- **Sättigungsstrom (I_sat):** 9,5 A (deutlich über dem zu erwartenden Spitzenstrom von ca. 5,3 A, was eine hohe Stabilität des Wandlers garantiert)

**Systemwandler 3,3 V (TPS63020):**
- **Betriebspunkt:** f_SW ≈ 2,4 MHz
- **Benötigte Induktivität:** L ≈ 1,0 μH
- **Gewähltes Bauteil:** FTC252010S1R0MBCA (Cjiang)

**Begründung:**
Die Auswahl erfolgte im Hinblick auf optimale elektrische Performance und kompakte Baugrösse für den Low-Power-Wandler:
- **Induktivität:** Der Wert von 1,0 μH ist ideal für das schnelle Einschwingverhalten (Transient Response) des hochfrequenten TPS63020-Reglers
- **Baugrösse:** Mit 2,5 × 2,0 mm ist die Spule angemessen klein für diesen Schaltungsteil
- **Strombelastbarkeit:** Die Nennströme (I_rms = 4,1 A, I_sat = 4,8 A) sind für die maximale Last von 300 mA massiv überdimensioniert und stellen kein Risiko dar

#### Eingangs-MOSFETs

Für den bidirektionalen Eingangs-Schalter wird ein Dual-N-Kanal-MOSFET in Back-to-Back-Konfiguration (Common Drain) eingesetzt.

**Gewähltes Bauteil:** AON5820 (Alpha & Omega Semiconductor)  
**Betriebsbedingungen (Worst-Case):** Eingangsstrom I_IN(max) = 3 A, Gate-Ansteuerung V_GS ≥ 6 V

**Berechnung der Verlustleistung und Erwärmung:**

Die Berechnung basiert auf dem maximalen "heissen" Widerstand des Bauteils, um eine sichere Auslegung zu gewährleisten.

*Bestimmung des R_DS(on):*
- Maximaler Widerstand bei 25°C aus Datenblatt: R_DS(on)@25°C,4.5V = 9,5 mΩ
- Temperaturkoeffizient für 125°C (aus Fig. 4): k_T ≈ 1,6
- "Heisser" Widerstand pro FET: R_DS(on),hot = R_DS(on)@25°C × k_T = 9,5 mΩ × 1,6 = 15,2 mΩ

*Gesamtwiderstand der Back-to-Back-Schaltung:*
$$R_{total,hot} = 2 \times R_{DS(on),hot} = 2 \times 15,2\text{ mΩ} = 30,4\text{ mΩ}$$

*Spannungsabfall bei 3 A:*
$$V_{Abfall} = I_{IN} \times R_{total,hot} = 3\text{ A} \times 0,0304\text{ Ω} ≈ 91\text{ mV}$$

*Verlustleistung bei 3 A:*
$$P_{Verlust} = I_{IN}^2 \times R_{total,hot} = (3\text{ A})^2 \times 0,0304\text{ Ω} ≈ 274\text{ mW}$$

*Resultierende Temperaturerhöhung (ΔT):*
- Thermischer Widerstand aus Datenblatt: R_θJA = 75°C/W (Max, Steady-State)
- ΔT = P_Verlust × R_θJA = 0,274 W × 75°C/W ≈ 20,5°C

**Bewertung:**
Eine maximale Verlustleistung von ca. 274 mW führt zu einer Erwärmung von ca. 21°C über der Umgebungstemperatur. Dies ist thermisch unkritisch und liegt weit innerhalb der Spezifikationen des Bauteils. Ein Platinenlayout, das die Kühlfläche des zentralen Drain-Pads berücksichtigt ("Best Practice"), ist für eine zuverlässige Wärmeabfuhr ausreichend.

### N-Kanal-MOSFETs
**Baustein:** AO3400A  
**Anwendung:** Digitale Schalter und Inverter

Da N-Kanal-MOSFETs in diesem Design ausschliesslich für Logikfunktionen eingesetzt werden und nicht in Hochstromkreisen, genügt ein kostengünstiger Standard-Typ. Der AO3400A bietet ausreichende Parameter für alle Logic-Level-Anwendungen.

**Alternative:** Jeder andere Logic-Level-N-Kanal-MOSFET kann verwendet werden.

### P-Kanal-MOSFETs

#### Allgemeine Anwendungen
**Baustein:** AO3401A  
**Anwendung:** Digitale Schalter und Load-Switches

Für allgemeine P-Kanal-MOSFET-Anwendungen (analoge Ergänzung zum AO3400A) wird der AO3401A als kostengünstiger Standard-Typ eingesetzt. Er bietet ausreichende Parameter für alle Logic-Level-Anwendungen bei geringen bis mittleren Strömen.

**Alternative:** Jeder andere Logic-Level-P-Kanal-MOSFET kann verwendet werden.

#### Hochstrom-Anwendungen
**Baustein:** AON5820 (siehe Eingangs-MOSFETs)  
**Anwendungen:** VRTC-Multiplexer, SD-Kartenversorgung

Durch die Verwendung des Dual-N-Kanal-MOSFETs AON5820 in verschiedenen Schaltungsteilen wird die Bauteilvielfalt reduziert und die Lagerhaltung vereinfacht.

**Anwendung im VRTC-Multiplexer:**
Die Back-to-Back-Konfiguration eignet sich ideal für bidirektionale Schalter, bei denen Stromfluss in beide Richtungen verhindert werden muss.

**Thermische Auslegung (VRTC-Multiplexer bei 2 mA):**
Bei den geringen Strömen im VRTC-Pfad ist die Verlustleistung vernachlässigbar:
$$P_{loss} = I^2 \times R_{DS(on)} = (2\text{ mA})^2 \times 30,4\text{ mΩ} ≈ 0,12\text{ μW}$$

**Anwendung bei SD-Kartenversorgung:**
Für die SD-Kartenversorgung wird der AON5820 als P-Kanal-Load-Switch konfiguriert (ein MOSFET des Dual-Pakets).

*Thermische Auslegung (SD-Karte bei Schreibvorgängen):*
- Maximaler Schreibstrom: 100 mA (kurzzeitig)
- Verlustleistung: $P_{loss} = I^2 \times R_{DS(on)} = (100\text{ mA})^2 \times 15,2\text{ mΩ} = 152\text{ μW}$
- Temperaturerhöhung: $\Delta T = 152\text{ μW} \times 75\text{ K/W} ≈ 0,01\text{ K}$

*Soft-Start-Auslegung mittels RC-Gatebeschaltung:*
Die SD-Karte ist mit 10 μF + 100 nF gepuffert. Um Einschaltströme zu begrenzen, wird eine RC-Schaltung am Gate implementiert:

**Auslegungskriterien:**
- Kondensatorladung: $Q = C \times V = 10,1\text{ μF} \times 3,3\text{ V} = 33,3\text{ μC}$
- Zulässiger Ladestrom: $I_{max} = 100\text{ mA}$ (thermisch unkritisch)
- Mindest-Anstiegszeit: $t_{rise,min} = \frac{Q}{I_{max}} = \frac{33,3\text{ μC}}{100\text{ mA}} = 333\text{ μs}$

**RC-Dimensionierung:**
- Gate-Kapazität des AON5820: $C_{gate} ≈ 1\text{ nF}$
- Mindest-Gate-Zeitkonstante: $\tau_{gate,min} = \frac{t_{rise,min}}{3} ≈ 100\text{ μs}$
- **Auslegungsformel:** $R_{min} = \frac{\tau_{gate,min}}{C_{gewählt}}$

**Praktische Beispiele:**
- Mit C = 100 nF: $R_{min} = \frac{100\text{ μs}}{100\text{ nF}} = 1\text{ kΩ}$
- Mit C = 10 nF: $R_{min} = \frac{100\text{ μs}}{10\text{ nF}} = 10\text{ kΩ}$
- Mit C = 1 nF: $R_{min} = \frac{100\text{ μs}}{1\text{ nF}} = 100\text{ kΩ}$

**Empfohlene Beschaltung:** 
- **Mindestempfehlung:** R = 1 kΩ, C = 100 nF (schnell und verfügbar)
- **Konservativ:** R = 10 kΩ, C = 10 nF (langsamere Flanken)

**Bewertung 1 kΩ/100 nF:**
- Anstiegszeit: ≈ 300 μs (3 × τ = 3 × 100 μs)
- Ladestrom bleibt unter 100 mA
- Schnelle SD-Karten-Verfügbarkeit für zeitkritische Anwendungen

Alle Anwendungsfälle liegen deutlich innerhalb der Spezifikationsgrenzen.

## Referenzen und Datenblätter

Alle Datenblätter der verwendeten Bauteile sind in diesem Repository verfügbar:

### Energiemanagement-ICs
- **[XB4908A](datasheets/LiIon%20Protection/XB4908.pdf)** - Li-Ion-Schutzschaltung mit integrierten MOSFETs (XySemi)
- **[bq27441-G1](datasheets/Fuel%20Gauge/bq27441-g1.pdf)** - Fuel Gauge IC (Texas Instruments)
- **[BQ25672](datasheets/Charger/bq25672.pdf)** - Hochintegrierter Buck-Boost-Lader mit Power-Multiplexer (Texas Instruments)

### USB-Erkennung
- **[bq24230](datasheets/USB%20Detection/bq24230.pdf)** - USB-Ladegeräteerkennung und -charakterisierung (Texas Instruments)

### Spannungsregler
- **[TPS63020](datasheets/DC-DC%20Converter/tps63020.pdf)** - Hocheffizienter 3,3-V-Buck-Boost-Wandler (Texas Instruments)
- **[XC6206P332MR-G](datasheets/LDO/xc6206p332mr-g.pdf)** - Ultra-Low-Power 3,3-V-LDO-Regler (Torex Semiconductor)
- **[TPS2116](datasheets/Power%20Mux/tps2116.pdf)** - Intelligenter Power-Multiplexer mit automatischer Umschaltung (Texas Instruments)

### Diskrete Halbleiter
- **[AO3400A](datasheets/MOSFET/ao3400a.pdf)** - N-Kanal-Logic-Level-MOSFET für digitale Schaltanwendungen (Alpha & Omega Semiconductor)
- **[AO3401A](datasheets/MOSFET/ao3401a.pdf)** - P-Kanal-Logic-Level-MOSFET für digitale Schaltanwendungen (Alpha & Omega Semiconductor)
- **[AON5820](datasheets/MOSFET/aon5820.pdf)** - Dual-N-Kanal-Power-MOSFET für bidirektionale Schalter bis 3 A (Alpha & Omega Semiconductor)

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*Dokument-Version: 2.0*  
*Letzte Aktualisierung: Oktober 2025*  
*Status: Aktualisiert für finale Bauteilauswahl*