# Energieversorgung

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- [Energieversorgung](#energieversorgung)
  - [Übersicht](#übersicht)
  - [Detailbeschreibung](#detailbeschreibung)
    - [Externe Quellen](#externe-quellen)
      - [USB-C Port](#usb-c-port)
      - [Debug Port](#debug-port)
    - [Batterien](#batterien)
      - [Li-Ion-Akku](#li-ion-akku)
      - [Akkuschutz](#akkuschutz)
      - [Fuel Gauge](#fuel-gauge)
      - [CR1220](#cr1220)
    - [Energiebilanz Li-Ion-Akku](#energiebilanz-li-ion-akku)
      - [Ausgangsdaten](#ausgangsdaten)
      - [Verbrauchsrechnung](#verbrauchsrechnung)
    - [Energiewandlung](#energiewandlung)
      - [Lader](#lader)
      - [3.3V Buck-Boost-Wandler (DC/DC-Wandler)](#33v-buck-boost-wandler-dcdc-wandler)
      - [SD Schalter](#sd-schalter)
      - [3.3V LDO](#33v-ldo)
      - [Power-Mux](#power-mux)
  - [Dimensionierungen](#dimensionierungen)
    - [N-FETs](#n-fets)

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## Übersicht
Die Energieversorgung des Geräts besteht aus drei Hauptkomponenten:
- Externe Energieversorgung (USB, Debug-Stecker)
- Interner 1S LiPo/LiIon-Akku
- Interne Knopfzelle (CR1220)

Aus diesen Quellen werden mehrere interne Spannungsversorgungen erzeugt:
- `VDD` ist die Hauptversorgung für den Mikrocontroller, den Sensor und den externen Flash-Speicher. Sie wird durch einen [Buck-Boost-Wandler](#33v-buck-boost-wandler-dcdc-wandler) aus der externen Versorgung oder dem Li-Ion-Akku erzeugt. Der Wandler ist zur Energieeinsparung schaltbar.
- `VDDSD` versorgt den [MicroSD-Kartenslot](#sd-schalter). Diese Versorgung ist schaltbar, da eine SD-Karte auch im Ruhezustand einen signifikanten Stromverbrauch hat.
- `VRTC` versorgt die Echtzeituhr (RTC) und den `VBAT`-Pin des Mikrocontrollers. Diese Spannung ist immer vorhanden, solange der [Batterieschutz](#akkuschutz) nicht ausgelöst hat. Die Versorgung erfolgt über einen [Power-MUX](#power-mux), der priorisiert von `VDD` gespeist wird. Fällt `VDD` aus, erfolgt die Versorgung über einen [LDO](#33v-ldo) direkt vom Li-Ion-Akku (nach der Schutzschaltung).
- `VBACKUP` ist die Spannung der [CR1220-Zelle](#cr1220). Sie dient als Backup-Versorgung für die RTC, falls der Akku entfernt wird oder der Tiefentladeschutz auslöst.

Das vereinfachte Blockschaltbild sieht wie folgt aus:
```mermaid
graph TD;
    subgraph "Batterien"
        LIPO[(Li-Ion Akku)];
        PROTECTION[Akkuschutz];
        GAUGE[Fuel Gauge];
        CR1220[(CR1220)];
    end
    LIPO <--> PROTECTION;
    PROTECTION <--> GAUGE;
    CR1220 --> VBACKUP;

    subgraph "Externe Quellen"
        USBC[USB-C Port];
        DEBUG[Programmier-Port];
    end

    subgraph "Energiewandlung"
        LDO[3.3V LDO];
        DCDC[3.3V Buck-Boost];
        CHARGER[Lader];
        SDSWITCH[SD Schalter];
        MUX[Power-Mux]
    end
    USBC --> CHARGER;
    DEBUG --> CHARGER;
    GAUGE <--> CHARGER;
    CHARGER --> DCDC --> VDD;
    CHARGER --> LDO;
    LDO --> MUX;
    DCDC --> MUX --> VRTC;
    DCDC --> SDSWITCH --> VDDSD;

    subgraph "Verfügbare Versorgungen"
        VBACKUP(VBACKUP);
        VRTC(VRTC);
        VDDSD(VDDSD);
        VDD(VDD);
    end
```

## Detailbeschreibung
### Externe Quellen
#### USB-C Port
Das Gerät verfügt über einen USB-C-Port, der sowohl der Datenübertragung als auch der Energieversorgung dient. Es kann an einem PC/Laptop sowie an gängigen Netzteilen (Handy-Ladegerät, USB-C Laptop-Netzteil etc.) geladen werden. Dabei muss der jeweils verfügbare Strom beachtet werden. Mehr dazu unter [Lader](#lader).

#### Debug Port
Damit das Gerät auch bei ausschließlich gesteckter Debug-Verbindung funktioniert, können 5 V auf den Debug-Port eingespeist werden. Bei den meisten Debug-Adaptern ist der verfügbare Strom begrenzt, weshalb von diesem Eingang maximal 300 mA bezogen werden dürfen.

### Batterien
#### Li-Ion-Akku
Als Akku sind zwei parallelgeschaltete 18650-Zellen vorgesehen. Diese werden mittels Nickelstreifen verschweisst, mit einem NTC-Temperatursensor versehen und eingeschrumpft. Die Verbindung zur Hauptplatine ist vierpolig (`BAT+`, `BAT-`, `NTC`, `GND`), da sich die [Akkuschutzschaltung](#akkuschutz) auf der Hauptplatine befindet. Diese trennt im Fehlerfall die `BAT-` Leitung vom Rest der Schaltung (`GND`). Wäre der NTC-Temperatursensor nur zwischen `BAT+` und `BAT-` angeschlossen, hätte er nach einer Trennung kein definiertes Potenzial mehr (floating). Ein an `GND` referenzierter Messeingang am [Lader](#lader) könnte die Temperatur nicht mehr korrekt erfassen. Durch die separate `GND`-Verbindung für den NTC wird dieses Problem umgangen.

#### Akkuschutz
Als Akkuschutz habe ich zuerst an den *FM2113* gedacht. Bei der Auslegung der [N-FETs](#n-fets) wurde dann aber klar, dass er nicht geeignet ist. Das Problem dabei ist, dass er R<sub>DSON</sub> zur Strommessung benutzt. Um ein Auslösen der Überstromsicherung im Worst Case kommen bei 3 A Standardkandidaten wie der *AO3400A* oder der *MDD2302* nicht in Frage, sie sind leider nicht genügend niederohmig. Der *AO3400A* kann die Wärme bei 3 A nicht abführen. Der *MDD2302* würde thermisch passen. Bei 2.5 V hat er einen maximalen R<sub>DSON</sub> von 35 mΩ, die Verlustleistung bei 3 A beträgt also
$$
P = R \cdot I^2 = 35\text{ mΩ} \cdot (3\text{ A})^2 = 315\text{ mW}
$$
was bei 100 K/W thermischen Widerstand kein Problem darstellt. Allerdings beträgt der Spannungsabfall
$$
\Delta U = R \cdot I = 35\text{ mΩ} \cdot 3\text{ A} = 105\text{ mV}
$$
Da in der Schutzschaltung 2 FETs in Common-Drain-Schaltung vorhanden sind ergibt das total 210 mV. Laut Datenblatt kann der *FM2113* bereits bei 120 mV einen Überstrom erkennen.
Bessere FETs sind selten, größer und/oder teurer. Bei meiner Suche bin ich dann über den [**XB4908A**](datasheets/LiIon%20Protection/XB4908.pdf) von XySemi gestoßen, eine LiPo-Protection-IC mit integrierten FETs. Der Baustein schützt vor *Überladung*, *Tiefentladung* und *Überstrom*. Die wichtigsten Daten will ich hier aufführen, da der Chip wohl nicht sehr bekannt sein dürfte:
|Parameter|Symbol|Wert|
|---|---|---|
|Überladespannungsauslösung|OCV|4.30 V|
|Überladespannungsauflösung|OCRV|4.10 V|
|Tiefentladeauslösung|ODV|2.4 V|
|Tiefentladeauflösung|ODRV|3 V|
|Strombedarf im Betrieb|I<sub>OPE</sub>|typ. 3.3 μA|
|Strombedarf im Powerdown|I<sub>PD</sub>|typ. 1.8 μA|
|Widerstand|R<sub>SS(on)</sub>|typ. 13.5 mΩ|
|Überstromabschaltung entladen|I<sub>IOV1</sub>|min. 6 A|
|Überstromabschaltung laden|I<sub>ROV1</sub>|min. 4 A|
|Thermischer Widerstand zur Umgebung|θ<sub>JC</sub>|100 K/W|

Dieser IC ist also passend für diese Anwendung. Der R<sub>SS(on)</sub> (SS, da da zwei nFETs in Common-Drain-Schaltung drin sind, also der Widerstand zwischen den beiden Sourcen) ist leider nur als typischer Wert angegeben. Für die thermische Abschätzung gehe ich also daher von 20 mΩ aus. Damit erhalte ich
$$
P = R \cdot I^2 = 20\text{ mΩ} \cdot (3\text{ A})^2 = 180\text{ mW} \\
\Delta T = P \cdot \Theta_{JC} = 180\text{ mW} \cdot 100\text{ K/W} = 18\text{ K}
$$
Eine Erwärmung um 18 K bei maximalem Ladestrom sollte absolut kein Problem sein.

#### Fuel Gauge
Als Fuel Gauge wird der [**BQ27441-G1**](datasheets/Fuel%20Gauge/bq27441-g1.pdf) von Texas Instruments eingesetzt. Der ursprünglich vorgesehene *BQ27427* ist nur für einen Dauerstrom von 2 A ausgelegt, womit die vollen Möglichkeiten des [Laders](#lader) und des [Li-Ion-Akkus](#li-ion-akku) nicht ausgenutzt werden könnten.
Zur Strommessung ist ein `0.01 Ω` Shunt-Widerstand vorgesehen. Hierbei ist vor allem die Temperaturstabilität maßgeblich, da der genaue Widerstandswert im [**BQ27441-G1**](datasheets/Fuel%20Gauge/bq27441-g1.pdf) konfiguriert/kalibriert werden kann.
Die Verlustleistung am Widerstand ist relativ gering:
$$
\begin{aligned}
 P &= R \cdot I^2 \\
 &= 0.01\text{ Ω} \cdot (3\text{ A})^2 \\
 &= 0.09\text{ W}
\end{aligned}
$$ 
Obwohl diese Verlustleistung bereits ein 0603-SMD-Widerstand verkraften würde, wird hier ein Widerstand der Bauform 1206 vorgesehen, um eine saubere 4-Leiter-Messung (Kelvin-Verbindung) zu ermöglichen.
Die Konfiguration der Fuel Gauge kann über die TI-Software und einen entsprechenden Adapter erfolgen. Dazu kann der Adapter an einen externen I²C-Anschluss (z.B. OLED- oder Tasten-Controller-Anschluss) angeschlossen werden. Dabei ist sicherzustellen, dass auf dem Mikrocontroller keine Software aktiv ist, die einen I²C-Master implementiert.
Da der [**BQ27441-G1**](datasheets/Fuel%20Gauge/bq27441-g1.pdf) keine NTC-Schnittstelle besitzt, wird eine alternative Methode zur Temperaturerfassung genutzt. Im Betrieb liest der Mikrocontroller die Akkutemperatur vom [Lader](#lader) aus und leitet sie per I²C an die Fuel Gauge weiter. Im Ruhezustand, wenn von einer thermischen Stabilität auszugehen ist, wird auf den internen Temperatursensor der Fuel Gauge zurückgegriffen.
```mermaid
stateDiagram-v2
    [*] --> Betrieb
    Betrieb --> Nachlauf: Gerät schaltet aus
    Nachlauf --> Tiefschlaf: Akkutemperatur stabil oder 1h abgelaufen
    Tiefschlaf --> Betrieb: Gerät schaltet ein
note right of Nachlauf
    DC/DC wird von der RTC regelmässig gestartet um die Temperatur zu übermitteln.
end note
note left of Tiefschlaf
    DC/DC ausgeschaltet
end note
```
#### CR1220
Eine CR1220-Knopfzelle dient als Backup-Versorgung für die RTC. Die Batterie wird im Normalfall für sehr lange Zeit (>10 Jahre) ausreichen, da die RTC primär vom [Li-Ion-Akku](#li-ion-akku) versorgt wird, solange die Schutzschaltung nicht ausgelöst hat.

### Energiebilanz Li-Ion-Akku
Die Energiebilanz im Betrieb kann erst wirklich bestimmt werden, wenn die Schaltung aufgebaut ist. Um die Auslegung zu prüfen habe ich aber überschlagen, wie viel die Schaltung in einem Deep-Power-Down-Modus verbraucht. Die Strategie ist, bei unter 3V in einen sicheren Deep-Power-Down-Modus zu gehen, um eine Tiefentladung des Akkus möglichst lange zu verhindern.
Sollte Entladung des Akkus erkannt werden, so wird der [Lader](#lader) in den Ship-Zustand geschaltet und die [Fuel Gauge](#fuel-gauge) in den Shutdown. Der Lader wird durch das Einstecken einer externen Versorgung automatisch wieder geweckt. Die Fuel Gauge muss über den GP-Pin vom Mikrocontroller geweckt werden.
```mermaid
stateDiagram-v2
    [*] --> Betrieb
    Betrieb --> DeepPowerDown: Akkuspannung < 3V
    DeepPowerDown --> Aufwachen: Stecken einer externen Energiequelle
    Aufwachen --> Betrieb: Übergang durch Mikrocontroller
note right of DeepPowerDown
  Microcontroller schaltet Fuel Gauge und Lader in niedrigen Verbrauch, dadurch wird Speisung gekappt
end note
note left of Aufwachen
  Mikrocontroller muss Fuel Gauge wecken
end note
```

Vorgesehen sind 2×3200 mAh-18650-Zellen parallel. Zur Sicherheit rechne ich mit 2×2600 mAh, falls doch einmal kleinere Zellen eingesetzt werden.

#### Ausgangsdaten
|Wert|Kapazität|
|---|---:|
|Nennkapazität|5200 mAh|
|Alterung, Rest 80%|4106 mAh|
|Restkapazität unter 3 V bis zur kritischen Spannung von 2.5 V: 10%|**41 mAh**|
#### Verbrauchsrechnung
Beim Verbrauch fliessen die Worst-Case (höchsten) Angaben ein:
|Verbraucher|Verbrauch|
|---|---:|
|Schutzschaltung XB4908A|6μA|
|Fuel Gauge BQ27441-G1 (im Datenblatt steht nur der typische Verbrauch von 0.6μA, Worst-Case geschätzt)|1μA|
|Lader BQ25672(0.7μA laut Datenblatt, aufgerunden|1μA|
|**total**|**8μA**|

In der Worst-Case-Betrachtung haben wir also 41 mAh zur Verfügung bei einem Verbrauch von 8 μA, die Restkapazität reicht folglich für $\frac{41\text{ mAh}}{8\text{ μA}} = 5125\text{ h}$, bis der Akku in einen chemisch kritischen Zustand kommt. Das entspricht 213 Tagen oder fast sieben Monaten. Die Selbstentladung ist hierbei nicht eingerechnet, trotzdem ist dies ein Wert, er mir absolut keine Bauchschmerzen bereitet, vor allem, da dies ja eine absolute Worst-Case-Berechnung ist.

### Energiewandlung
#### Lader
Als Ladechip ist der [**BQ25672**](datasheets/Charger/bq25672.pdf) vorgesehen. Dieser bietet einige für das Projekt interessante Funktionen:
- Erkennung von zwei externen Spannungsquellen und Auslösung von Interrupts bei deren Anschluss oder Trennung.
- Einstellbarer Ladestrom von bis zu 3 A (in 10 mA-Schritten über I²C).
- Einstellbare Eingangsstrombegrenzung (über I²C).
- Erkennung von Sonderladegeräten (USB BC1.2 und HVDCP).
- Hohe Effizienz dank Buck-Boost-Architektur.
- Unterstützung der NVDC-Funktion (Narrow Voltage DC).
- „Shipping Mode", um den Stromverbrauch auf ein absolutes Minimum zu reduzieren. Dieser Modus kann nur durch Anschließen einer externen Versorgung beendet werden.
- Integrierte FETs.

Eine direkte Erkennung der über USB-C verfügbaren Stromstärken ist damit jedoch nicht möglich. Dies stellt jedoch kein Problem dar, da die CC-Leitungen des USB-C-Steckers über den ADC des Mikrocontrollers ausgewertet werden können. Der geplante Ablauf in der Firmware ist wie folgt:
```mermaid
flowchart TD
A[START] -->|Anstecken erkannt| B{CC-Leitungen messen}
B -->|größer 1.31 V| C[USB-C 3 A]
B -->|zwischen 0.71 V und 1.16 V| D[USB-C 1.5 A]
B -->|kleiner 0.61 V| E([**BQ25672**](datasheets/Charger/bq25672.pdf) auslesen)
E --> F{[**BQ25672**](datasheets/Charger/bq25672.pdf) hat USB-Port bestimmt}
F -->|SDP erkannt| G(USB Enumerieren) -->H[Strombegrenzung gem. Enumerierung]
F -->|ansonsten| I([**BQ25672**](datasheets/Charger/bq25672.pdf) A-Port-Erkennung auslesen) -->J[Strombegrenzung entsprechend setzen]
```

Dazu ist diese Beschaltung nötig:
```mermaid
graph TD;
    USBC[USB-C Port];
    MCU[Microcontroller];
    CHARGER[Lader];

    USBC -- D+, D-, VBUS --> CHARGER;
    USBC -- D+, D-, CC1, CC2 --> MCU;
    MCU <-- I²C --> CHARGER;
```
Der „Shipping Mode" kann dazu genutzt werden, ein Wiedereinschalten des Geräts bei niedrigem Akkustand (z.B. `< 3 V`) zuverlässig zu verhindern. Zudem ist ein „Lagermodus" vorgesehen, bei dem das Gerät möglichst wenig Energie aus dem Akku entnehmen soll.

#### 3.3V Buck-Boost-Wandler (DC/DC-Wandler)
Der DC/DC-Wandler ist die Hauptenergieversorgung der Schaltung. Da die Spannung des Li-Ion-Akkus von 3 V bis 4.2 V variieren kann, ist ein Buck-Boost-Wandler notwendig. Die Wahl fiel auf den [**TPS63020**](datasheets/DC-DC%20Converter/tps63020.pdf), der folgende Vorteile bietet:
- Sehr hohe Effizienz
- Integrierte FETs
- Hohe Schaltfrequenz, was kleine Induktivitäten ermöglicht
- Enable-Eingang und sehr geringer Energieverbrauch im ausgeschalteten Zustand

Der DC/DC-Wandler wird, wann immer möglich, ausgeschaltet. Weckquellen sind:
- Einschalt-Taster
- RTC
- Lader (wenn eine externe Versorgung angeschlossen wird)

Da die Wecksignale aktiv-low sind, werden sie über Dioden zu einem Wired-OR-Gatter zusammengefasst. Ein nachgeschalteter N-Kanal-MOSFET invertiert das Signal für den aktiv-high Enable-Eingang des Wandlers. Diese Logik stellt zudem sicher, dass der Mikrocontroller den Wandler selbst aktiv halten kann (Latching).

#### SD Schalter
Eine SD-Karte kann auch im Ruhezustand einen signifikanten Strom verbrauchen. Um die Energieeffizienz zu erhöhen, wird die Versorgung des Micro-SD-Slots bei Bedarf über einen P-Kanal-MOSFET durch den Mikrocontroller geschaltet.

#### 3.3V LDO
Der 3.3V LDO versorgt die RTC und den `VBAT`-Eingang des Mikrocontrollers, wenn der [DC/DC-Wandler](#3-3v-buck-boost-wandler-dc-dc-wandler) ausgeschaltet ist. Die Wahl fiel auf den [**XC6206P332MR-G**](datasheets/LDO/xc6206p332mr-g.pdf) von Torex, der einen Eigenverbrauch von lediglich 1 μA aufweist. Fällt die Akkuspannung unter 3.3 V, arbeitet er im Dropout-Bereich und die Ausgangsspannung folgt der Eingangsspannung abzüglich eines geringen Spannungsabfalls. Dies kann zu Pegel-Inkompatibilitäten bei der I²C-Kommunikation führen, da der Rest der Schaltung mit stabilen 3.3 V vom DC/DC-Wandler versorgt wird. Um dies zu verhindern, schaltet ein [Power-Mux](#power-mux) die Versorgung der RTC auf den `VDD`-Zweig um, sobald dieser aktiv ist. Dadurch wird ein einheitlicher Spannungspegel für die Kommunikation sichergestellt.

#### Power-Mux
Ein [**TPS2116**](datasheets/Power%20Mux/tps2116.pdf) wird als Power-Multiplexer eingesetzt. An den Eingängen werden der DC/DC-Wandler (priorisiert) und der LDO angeschlossen. Am Ausgang stellt er die `VRTC`-Spannung zur Verfügung.

## Dimensionierungen
Im Folgenden werden die wesentlichen Dimensionierungen behandelt.

### N-FETs
An mehreren Stellen im Hauptstrompfad werden N-FETs benötigt (~~Charge- und Discharge-FETs beim [Batterieschutz](#akkuschutz),~~ SHIP-FET beim [Lader](#lader), Input Selector beim [Lader](#lader)). Eine erste Überlegung galt dem *AO3400A*, einem gängigen Logic-Level N-FET.

Die kritischste Anwendung sind die Batterieschutz-Transistoren, da sie bei entladenem Akku die geringste Gate-Source-Spannung (VGS) erhalten. Die vom Lader angesteuerten FETs werden über eine interne Ladungspumpe mit einer ausreichend hohen Gatespannung versorgt.

Für die Worst-Case-Betrachtung wird ein tiefentladener Akku mit einer Spannung von 2.5 V angenommen. Laut Datenblatt des *AO3400A* beträgt der Rds(on) bei einer VGS von 2.5 V maximal 48 mΩ. Bei einem angenommenen Laststrom von 3 A würde dies zu folgenden Konsequenzen führen:

- **Spannungsabfall:**
$$ 
\begin{aligned}
 V_{drop} &= R_{ds(on)} \cdot I \\
 &= 0.048\text{ Ω} \cdot 3\text{ A} \\
 &= 0.144\text{ V}
\end{aligned}
$$ 

- **Verlustleistung:**
$$ 
\begin{aligned}
 P_{loss} &= R_{ds(on)} \cdot I^2 \\
 &= 0.048\text{ Ω} \cdot (3\text{ A})^2 \\
 &= 0.432\text{ W}
\end{aligned}
$$ 

Die Verlustleistung ist zu gross für das Gehäuse. Die Wahl fällt deshalb auf den [**HL3416**](datasheets/MOSFET/hl3416.pdf) mit einem R<sub>ds(on)</sub> von typisch 18 mΩ, maximal 26 mΩ bei 2.5 V:
- **Spannungsabfall:**
$$ 
\begin{aligned}
 V_{drop} &= R_{ds(on)} \cdot I \\
 &= 0.018\text{ Ω} \cdot 3\text{ A} = 0.054\text{ V}\\
 &= 0.026\text{ Ω} \cdot 3\text{ A} = 0.078\text{ V}\\
\end{aligned}
$$ 

- **Verlustleistung:**
$$ 
\begin{aligned}
 P_{loss} &= R_{ds(on)} \cdot I^2 \\
 &= 0.018\text{ Ω} \cdot (3\text{ A})^2 = 0.162\text{ W}\\
 &= 0.026\text{ Ω} \cdot (3\text{ A})^2 = 0.234\text{ W}
\end{aligned}
$$ 
Die Verlustleistung beträgt also Worst Case 234 mW. Bei einem thermischen Widerstand R<sub>θJA</sub> von 96 K/W, aufgerundet auf 100 K/W, ergibt das eine Erwärmung des Gehäuses um 23.4 K bei minimaler Spannung und maximalem Strom. Dies sollte problemlos sein, insbesondere, da die Gate-Source-Spannung beim [**BQ25672**](datasheets/Charger/bq25672.pdf) dank Ladungspumpen ca. 5 V beträgt. Die Worst-Case-Berechnung ist für den Batterieschutz, der aber bei der gewählten Konfiguration integrierte FETs hat.