docs: Refine power multiplexer descriptions and formatting

- Enhanced VBackup-Multiplexer section with corrected technical details
- Fixed component reference priorities (VDD supply via Q2, not Q1)
- Improved Power-Multiplexer (External Sources) technical description
- Added comprehensive component references in code format throughout
- Clarified sequential activation logic and power-good signal behavior
- Enhanced system advantages with voltage spike prevention details
- Improved professional technical terminology and structure
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Eduard Iten 2025-10-08 17:51:21 +02:00
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@ -4,6 +4,45 @@
<!-- @import "[TOC]" {cmd="toc" depthFrom=1 depthTo=6 orderedList=false} -->
<!-- code_chunk_output -->
- [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)
<!-- /code_chunk_output -->
## Übersicht
Das Energieversorgungssystem des PowerProfilers basiert auf einem dreistufigen Konzept:
@ -230,7 +269,22 @@ Diese Standzeit von über 7 Monaten gewährleistet ausreichend Schutz vor Tiefen
**Implementation:** Diskrete Lösung mit P-Kanal-MOSFETs
**Funktion:** Intelligente Umschaltung zwischen USB-C und Debug-Anschluss
*[Detailbeschreibung folgt]*
![VPower-Multiplexer Schaltung](img/power_power_mux.svg)
**Funktionsprinzip:**
**Debug-Priorität (Standby-Zustand):**
Die Versorgung vom Debug-Anschluss wird durch den Pull-Down-Widerstand `R1` am Gate von `Q1` durchgeschaltet, sobald eine Spannung am Debug-Anschluss anliegt. Gleichzeitig wird `Q2` durch `R3` sperrend gehalten, da sein Gate über `R3` auf 5 V gezogen wird.
**USB-Priorität (Aktiv-Zustand):**
Beim Anschluss einer USB-Versorgung wird `Q1` sofort sperrend, da das Gate von `Q1` durch `R2` auf die USB-Spannung gezogen wird. Nach einer definierten Verzögerungszeit schaltet der `bq24239` den `n_CHG_AL`-Open-Drain-Ausgang auf GND und zieht damit das Gate von `Q2` über `R4` auf Masse. `Q2` wird leitend und die Laderversorgung erfolgt vom USB-Anschluss.
**Umschaltverhalten:**
Während der Umschaltung zwischen den Quellen ist das System kurzzeitig stromlos (bei nicht angeschlossenem Akku). Dies ist akzeptabel, da es sich um einen aussergewöhnlichen Betriebszustand handelt. Die Schaltung gewährleistet:
- Betrieb ausschliesslich vom Debug-Anschluss (ohne Akku/USB)
- Verhinderung von Kurzschlüssen zwischen den Versorgungsquellen
- USB-Priorisierung im Normalbetrieb (Debug-Anschluss nicht gesteckt)
#### Ladeschaltung
**Hauptbaustein:** bq24296M (Texas Instruments)
@ -337,24 +391,32 @@ SD-Karten können auch im Idle-Zustand signifikanten Stromverbrauch aufweisen. D
**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 VBackup-Multiplexer bei aktivem DC/DC-Wandler auf VDD umschaltet.
#### Power-Multiplexer
**Baustein:** TPS2116 (Texas Instruments)
**Funktion:** Intelligente Umschaltung zwischen DC/DC-Wandler und LDO für VRTC
#### VBackup-Multiplexer
**Implementation:** Diskrete Lösung mit Schottky-Dioden und P-Kanal-MOSFET
**Funktion:** Intelligente Umschaltung zwischen DC/DC-Wandler und LDO für VRTC
![VBackup-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)
2. **Priorität 2:** LDO-Ausgang (DC/DC-Wandler inaktiv)
1. **Priorität 1:** VDD (DC/DC-Wandler aktiv) - Direktversorgung über `Q2`
2. **Priorität 2:** LDO-Ausgang (DC/DC-Wandler inaktiv) - Versorgung über `D1`
Der Multiplexer gewährleistet:
- Unterbrechungsfreie Versorgung der RTC
- Einheitliche Signalpegel für I²C-Kommunikation
- Automatische Umschaltung ohne MCU-Eingriff
*[Detailbeschreibung der diskreten Implementierung folgt]*
**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

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