Complete PowerProfiler hardware documentation overhaul
- Restructured Hardware_PowerSupply.de.md with professional formatting - Updated component selection back to BQ25672 system architecture - Added comprehensive thermal calculations for MOSFET selection - Implemented detailed RC soft-start calculations for SD card power switching - Organized datasheets in structured folder hierarchy - Added system architecture diagrams and technical specifications - Optimized RC dimensioning with flexible formula for various component values
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c50bd085d5
commit
bceea347ed
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@ -59,7 +59,7 @@ Das System generiert vier verschiedene Versorgungsspannungen:
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| **VDD** | Hauptversorgung (MCU, Sensoren, Flash) | [Buck-Boost-Wandler](#buck-boost-wandler-33-v) | ✓ |
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| **VDDSD** | MicroSD-Kartenslot | [Buck-Boost-Wandler](#buck-boost-wandler-33-v) | ✓ |
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| **VRTC** | RTC und MCU-VBAT | [VBackup-Multiplexer](#vbackup-multiplexer) | – |
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| **VRTC** | RTC und MCU-VBAT | [VRTC-Multiplexer](#vrtc-multiplexer) | – |
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| **VBACKUP** | RTC-Backup | [CR1220-Zelle](#backup-batterie-cr1220) | – |
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### Systemarchitektur
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@ -79,11 +79,10 @@ graph TD
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end
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subgraph "Energiemanagement"
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PMUX_EXT[ Power-Multiplexer<br/>Externe Quellen ]
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CHARGER[ Ladeschaltung<br/>bq24296M + bq24239 ]
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CHARGER[ Ladeschaltung<br/>BQ25672 ]
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DCDC[ Buck-Boost-Wandler<br/>TPS63020 ]
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LDO[ LDO-Regler<br/>XC6206P332MR-G ]
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PMUX_BACKUP[ VBackup-Multiplexer<br/>Diskrete Lösung ]
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PMUX_BACKUP[ VRTC-Multiplexer<br/>Diskrete Lösung ]
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SDSWITCH[ SD-Schalter<br/>P-MOSFET ]
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end
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@ -94,9 +93,8 @@ graph TD
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VBACKUP[ VBACKUP<br/>3V Backup ]
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end
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USBC --> PMUX_EXT
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DEBUG --> PMUX_EXT
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PMUX_EXT --> CHARGER
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USBC --> CHARGER
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DEBUG --> CHARGER
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CHARGER <--> GAUGE
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GAUGE <--> PROTECTION
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PROTECTION <--> LIPO
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@ -255,7 +253,7 @@ Die kritische Reserve ist die verfügbare Energie zwischen 3,0 V (Deep-Power-Dow
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| XB4908A (Akkuschutz) | 6 μA | Datenblattangabe |
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| bq27441-G1 (Fuel Gauge) | 1 μA | Geschätzt (typ. 0,6 μA) |
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| bq24296M (Lader) | 1 μA | Ship-Modus |
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| BQ25672 (Lader) | 1 μA | Ship-Modus |
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| **Gesamtverbrauch** | **8 μA** | |
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**Standzeit-Berechnung:**
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@ -265,76 +263,38 @@ Diese Standzeit von über 7 Monaten gewährleistet ausreichend Schutz vor Tiefen
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### Spannungswandlung
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#### Power-Multiplexer (Externe Quellen)
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**Implementation:** Diskrete Lösung mit P-Kanal-MOSFETs
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**Funktion:** Intelligente Umschaltung zwischen USB-C und Debug-Anschluss
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**Funktionsprinzip:**
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**Debug-Priorität (Standby-Zustand):**
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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.
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**USB-Priorität (Aktiv-Zustand):**
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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.
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**Umschaltverhalten:**
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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:
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- Betrieb ausschliesslich vom Debug-Anschluss (ohne Akku/USB)
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- Verhinderung von Kurzschlüssen zwischen den Versorgungsquellen
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- USB-Priorisierung im Normalbetrieb (Debug-Anschluss nicht gesteckt)
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#### Ladeschaltung
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**Hauptbaustein:** bq24296M (Texas Instruments)
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**Zusatzbaustein:** bq24239 für erweiterte Ladegeräteerkennung
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**Hauptbaustein:** BQ25672 (Texas Instruments)
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**Typ:** Hochintegrierter Buck-Boost-Lader mit integriertem Power-Multiplexer
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Die Ladeschaltung wurde von der ursprünglich geplanten bq25672 auf die bq24296M umgestellt, um Layoutkomplexität zu reduzieren bei gleichzeitiger Beibehaltung aller wichtigen Funktionen.
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Der BQ25672 wurde als Hauptladeschaltung gewählt und bietet alle erforderlichen Funktionen in einem einzigen IC.
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**Kernfunktionen der bq24296M:**
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- Einstellbarer Ladestrom bis 3 A (10-mA-Schritte über I²C)
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- Einstellbare Eingangsstrombegrenzung
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- Hohe Effizienz durch integrierte Synchronous-Switching-Architektur
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- NVDC-Funktion (Narrow Voltage DC)
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**Kernfunktionen des BQ25672:**
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- Integrierter bidirektionaler Power-Multiplexer für externe Quellen
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- Einstellbarer Ladestrom bis 4,5 A (über I²C)
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- Einstellbare Eingangsstrombegrenzung bis 3 A
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- Buck-Boost-Architektur für optimale Effizienz
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- Automatische USB-Ladegeräteerkennung (USB BC1.2, USB-C, HVDCP)
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- Ship-Modus für minimalen Stromverbrauch
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- Integrierte Power-MOSFETs
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- Integrierte Power-MOSFETs und Schutzfunktionen
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**Erweiterte Ladegeräteerkennung:**
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Da die bq24296M keine direkte USB-Ladegeräteerkennung bietet, wird zusätzlich der bq24239 eingesetzt:
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```mermaid
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flowchart TD
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START[Externe Versorgung erkannt] --> CC{CC-Leitungen messen}
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CC -->|> 1,31 V| C[USB-C: 3 A verfügbar]
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CC -->|0,71 V - 1,16 V| D[USB-C: 1,5 A verfügbar]
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CC -->|< 0,61 V| BCD{bq24239 auslesen}
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BCD -->|SDP erkannt| ENUM[USB-Enumerierung]
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BCD -->|DCP/CDP erkannt| SET[Strombegrenzung<br/>gemäss bq24239]
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ENUM --> LIMIT[Strombegrenzung<br/>gemäss Enumerierung]
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C --> CONFIG[Ladestrom konfigurieren]
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D --> CONFIG
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SET --> CONFIG
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LIMIT --> CONFIG
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```
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**Systemverbindung:**
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**Systemintegration:**
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```mermaid
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graph LR
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USBC[USB-C-Anschluss] --> CHARGER[bq24296M]
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USBC -- D+/D- --> DETECTOR[bq24239]
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USBC[USB-C-Anschluss] --> MUX[Integrierter Power-MUX]
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DEBUG[Debug-Anschluss] --> MUX
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MUX --> CHARGER[BQ25672 Core]
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USBC -- CC1/CC2 --> MCU[Mikrocontroller]
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DETECTOR -- D+/D- --> MCU
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DETECTOR -- Erkennungssignale --> MCU
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MCU -- I²C --> CHARGER
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CHARGER --> SYSTEM[Systemversorgung]
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```
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**Vorteile der integrierten Lösung:**
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- Reduzierte Bauteilanzahl durch integrierten Power-Multiplexer
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- Optimierte Effizienz durch abgestimmte Regelkreise
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- Vereinfachtes Layout ohne externe MOSFETs für Quellenumschaltung
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- Automatische Ladegeräteerkennung ohne zusätzliche ICs
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#### Buck-Boost-Wandler (3,3 V)
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**Baustein:** TPS63020 (Texas Instruments)
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**Funktion:** Hauptspannungsversorgung für MCU, Sensoren und Flash-Speicher
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@ -389,13 +349,13 @@ SD-Karten können auch im Idle-Zustand signifikanten Stromverbrauch aufweisen. D
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- Ausgangsspannung: 3,3 V ±2%
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**Dropout-Verhalten:**
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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.
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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.
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#### VBackup-Multiplexer
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#### VRTC-Multiplexer
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**Implementation:** Diskrete Lösung mit Schottky-Dioden und P-Kanal-MOSFET
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**Funktion:** Intelligente Umschaltung zwischen DC/DC-Wandler und LDO für VRTC
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**Funktionsprinzip:**
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@ -420,6 +380,67 @@ Der Stromfluss vom LDO über `D1` wird unterbunden, da die Ausgangsspannung des
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## Bauteilauslegung
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### Ladeelektronik
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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.
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#### Induktivitäten
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Es werden zwei unterschiedliche, für ihren jeweiligen Zweck optimierte Induktivitäten verwendet.
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**Lader (BQ25672):**
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- **Betriebspunkt:** f_SW = 750 kHz (Modus für hohe Effizienz)
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- **Benötigte Induktivität:** L = 2,2 μH
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- **Gewähltes Bauteil:** FTC404030S2R2MGCA (Cjiang)
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**Begründung:**
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Die Auswahl erfolgte aufgrund der hohen Robustheit des Bauteils. Die Nennströme der Induktivität bieten eine grosse Sicherheitsmarge gegenüber den Anforderungen der Applikation:
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- **Thermischer Nennstrom (I_rms):** 8,5 A (deutlich über dem max. Ladestrom von 4,5 A, was eine geringe Eigenerwärmung sicherstellt)
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- **Sättigungsstrom (I_sat):** 9,5 A (deutlich über dem zu erwartenden Spitzenstrom von ca. 5,3 A, was eine hohe Stabilität des Wandlers garantiert)
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**Systemwandler 3,3 V (TPS63020):**
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- **Betriebspunkt:** f_SW ≈ 2,4 MHz
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- **Benötigte Induktivität:** L ≈ 1,0 μH
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- **Gewähltes Bauteil:** FTC252010S1R0MBCA (Cjiang)
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**Begründung:**
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Die Auswahl erfolgte im Hinblick auf optimale elektrische Performance und kompakte Baugrösse für den Low-Power-Wandler:
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- **Induktivität:** Der Wert von 1,0 μH ist ideal für das schnelle Einschwingverhalten (Transient Response) des hochfrequenten TPS63020-Reglers
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- **Baugrösse:** Mit 2,5 × 2,0 mm ist die Spule angemessen klein für diesen Schaltungsteil
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- **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
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#### Eingangs-MOSFETs
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Für den bidirektionalen Eingangs-Schalter wird ein Dual-N-Kanal-MOSFET in Back-to-Back-Konfiguration (Common Drain) eingesetzt.
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**Gewähltes Bauteil:** AON5820 (Alpha & Omega Semiconductor)
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**Betriebsbedingungen (Worst-Case):** Eingangsstrom I_IN(max) = 3 A, Gate-Ansteuerung V_GS ≥ 6 V
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**Berechnung der Verlustleistung und Erwärmung:**
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Die Berechnung basiert auf dem maximalen "heissen" Widerstand des Bauteils, um eine sichere Auslegung zu gewährleisten.
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*Bestimmung des R_DS(on):*
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- Maximaler Widerstand bei 25°C aus Datenblatt: R_DS(on)@25°C,4.5V = 9,5 mΩ
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- Temperaturkoeffizient für 125°C (aus Fig. 4): k_T ≈ 1,6
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- "Heisser" Widerstand pro FET: R_DS(on),hot = R_DS(on)@25°C × k_T = 9,5 mΩ × 1,6 = 15,2 mΩ
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*Gesamtwiderstand der Back-to-Back-Schaltung:*
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$$R_{total,hot} = 2 \times R_{DS(on),hot} = 2 \times 15,2\text{ mΩ} = 30,4\text{ mΩ}$$
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*Spannungsabfall bei 3 A:*
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$$V_{Abfall} = I_{IN} \times R_{total,hot} = 3\text{ A} \times 0,0304\text{ Ω} ≈ 91\text{ mV}$$
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*Verlustleistung bei 3 A:*
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$$P_{Verlust} = I_{IN}^2 \times R_{total,hot} = (3\text{ A})^2 \times 0,0304\text{ Ω} ≈ 274\text{ mW}$$
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*Resultierende Temperaturerhöhung (ΔT):*
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- Thermischer Widerstand aus Datenblatt: R_θJA = 75°C/W (Max, Steady-State)
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- ΔT = P_Verlust × R_θJA = 0,274 W × 75°C/W ≈ 20,5°C
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**Bewertung:**
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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.
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### N-Kanal-MOSFETs
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**Baustein:** AO3400A
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**Anwendung:** Digitale Schalter und Inverter
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@ -429,33 +450,64 @@ Da N-Kanal-MOSFETs in diesem Design ausschliesslich für Logikfunktionen eingese
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**Alternative:** Jeder andere Logic-Level-N-Kanal-MOSFET kann verwendet werden.
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### P-Kanal-MOSFETs
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**Baustein:** MDD2301
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**Anwendungen:** Power-Multiplexer, Backup-MUX, SD-Kartenversorgung
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Der kritischste Anwendungsfall ist der Power-Multiplexer mit bis zu 3 A Strombelastung.
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#### Allgemeine Anwendungen
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**Baustein:** AO3401A
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**Anwendung:** Digitale Schalter und Load-Switches
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**Technische Daten:**
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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.
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| Parameter | Wert |
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|-----------|------|
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| Gehäuse | SOT-23 |
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| R_DS(on) @ 4,5 V | typ. 33 mΩ, max. 45 mΩ |
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| R_DS(on) @ 2,5 V | typ. 46 mΩ, max. 60 mΩ |
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| Thermischer Widerstand | R_θJA = 100 K/W |
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| Leckstrom | I_DSS < 1 μA @ -10 V |
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**Alternative:** Jeder andere Logic-Level-P-Kanal-MOSFET kann verwendet werden.
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**Thermische Auslegung (Power-Multiplexer bei 3 A, Worst Case):**
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#### Hochstrom-Anwendungen
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**Baustein:** AON5820 (siehe Eingangs-MOSFETs)
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**Anwendungen:** VRTC-Multiplexer, SD-Kartenversorgung
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Verlustleistung:
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$$P_{loss} = R_{DS(on)} \cdot I^2 = 45\text{ mΩ} \cdot (3\text{ A})^2 = 405\text{ mW}$$
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Durch die Verwendung des Dual-N-Kanal-MOSFETs AON5820 in verschiedenen Schaltungsteilen wird die Bauteilvielfalt reduziert und die Lagerhaltung vereinfacht.
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Temperaturerhöhung:
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$$\Delta T = P_{loss} \cdot R_{\theta JA} = 405\text{ mW} \cdot 100\text{ K/W} = 40,5\text{ K}$$
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**Anwendung im VRTC-Multiplexer:**
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Die Back-to-Back-Konfiguration eignet sich ideal für bidirektionale Schalter, bei denen Stromfluss in beide Richtungen verhindert werden muss.
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**Spannungsabfall-Analyse (Backup-MUX bei 2 mA):**
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$$\Delta U = R_{DS(on)} \cdot I = 45\text{ mΩ} \cdot 2\text{ mA} = 0,09\text{ mV}$$
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**Thermische Auslegung (VRTC-Multiplexer bei 2 mA):**
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Bei den geringen Strömen im VRTC-Pfad ist die Verlustleistung vernachlässigbar:
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$$P_{loss} = I^2 \times R_{DS(on)} = (2\text{ mA})^2 \times 30,4\text{ mΩ} ≈ 0,12\text{ μW}$$
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Beide Anwendungsfälle liegen deutlich innerhalb der Spezifikationsgrenzen.
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**Anwendung bei SD-Kartenversorgung:**
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Für die SD-Kartenversorgung wird der AON5820 als P-Kanal-Load-Switch konfiguriert (ein MOSFET des Dual-Pakets).
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*Thermische Auslegung (SD-Karte bei Schreibvorgängen):*
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- Maximaler Schreibstrom: 100 mA (kurzzeitig)
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- Verlustleistung: $P_{loss} = I^2 \times R_{DS(on)} = (100\text{ mA})^2 \times 15,2\text{ mΩ} = 152\text{ μW}$
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- Temperaturerhöhung: $\Delta T = 152\text{ μW} \times 75\text{ K/W} ≈ 0,01\text{ K}$
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*Soft-Start-Auslegung mittels RC-Gatebeschaltung:*
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Die SD-Karte ist mit 10 μF + 100 nF gepuffert. Um Einschaltströme zu begrenzen, wird eine RC-Schaltung am Gate implementiert:
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**Auslegungskriterien:**
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- Kondensatorladung: $Q = C \times V = 10,1\text{ μF} \times 3,3\text{ V} = 33,3\text{ μC}$
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- Zulässiger Ladestrom: $I_{max} = 100\text{ mA}$ (thermisch unkritisch)
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- Mindest-Anstiegszeit: $t_{rise,min} = \frac{Q}{I_{max}} = \frac{33,3\text{ μC}}{100\text{ mA}} = 333\text{ μs}$
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**RC-Dimensionierung:**
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- Gate-Kapazität des AON5820: $C_{gate} ≈ 1\text{ nF}$
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- Mindest-Gate-Zeitkonstante: $\tau_{gate,min} = \frac{t_{rise,min}}{3} ≈ 100\text{ μs}$
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- **Auslegungsformel:** $R_{min} = \frac{\tau_{gate,min}}{C_{gewählt}}$
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**Praktische Beispiele:**
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- Mit C = 100 nF: $R_{min} = \frac{100\text{ μs}}{100\text{ nF}} = 1\text{ kΩ}$
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- Mit C = 10 nF: $R_{min} = \frac{100\text{ μs}}{10\text{ nF}} = 10\text{ kΩ}$
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- Mit C = 1 nF: $R_{min} = \frac{100\text{ μs}}{1\text{ nF}} = 100\text{ kΩ}$
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**Empfohlene Beschaltung:**
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- **Mindestempfehlung:** R = 1 kΩ, C = 100 nF (schnell und verfügbar)
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- **Konservativ:** R = 10 kΩ, C = 10 nF (langsamere Flanken)
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**Bewertung 1 kΩ/100 nF:**
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- Anstiegszeit: ≈ 300 μs (3 × τ = 3 × 100 μs)
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- Ladestrom bleibt unter 100 mA
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- Schnelle SD-Karten-Verfügbarkeit für zeitkritische Anwendungen
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Alle Anwendungsfälle liegen deutlich innerhalb der Spezifikationsgrenzen.
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## Referenzen und Datenblätter
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@ -464,7 +516,7 @@ Alle Datenblätter der verwendeten Bauteile sind in diesem Repository verfügbar
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### Energiemanagement-ICs
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- **[XB4908A](datasheets/LiIon%20Protection/XB4908.pdf)** - Li-Ion-Schutzschaltung mit integrierten MOSFETs (XySemi)
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- **[bq27441-G1](datasheets/Fuel%20Gauge/bq27441-g1.pdf)** - Fuel Gauge IC (Texas Instruments)
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||||
- **[bq24296M](datasheets/Charger/bq24296m.pdf)** - Hocheffizienter Lader-IC mit integrierter Synchronous-Switching-Architektur (Texas Instruments)
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||||
- **[BQ25672](datasheets/Charger/bq25672.pdf)** - Hochintegrierter Buck-Boost-Lader mit Power-Multiplexer (Texas Instruments)
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||||
### USB-Erkennung
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||||
- **[bq24230](datasheets/USB%20Detection/bq24230.pdf)** - USB-Ladegeräteerkennung und -charakterisierung (Texas Instruments)
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@ -476,7 +528,8 @@ Alle Datenblätter der verwendeten Bauteile sind in diesem Repository verfügbar
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||||
### Diskrete Halbleiter
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||||
- **[AO3400A](datasheets/MOSFET/ao3400a.pdf)** - N-Kanal-Logic-Level-MOSFET für digitale Schaltanwendungen (Alpha & Omega Semiconductor)
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||||
- **[MDD2301](datasheets/MOSFET/mdd2301.pdf)** - P-Kanal-Power-MOSFET für Leistungsschalter bis 3 A (Diodes Incorporated)
|
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- **[AO3401A](datasheets/MOSFET/ao3401a.pdf)** - P-Kanal-Logic-Level-MOSFET für digitale Schaltanwendungen (Alpha & Omega Semiconductor)
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- **[AON5820](datasheets/MOSFET/aon5820.pdf)** - Dual-N-Kanal-Power-MOSFET für bidirektionale Schalter bis 3 A (Alpha & Omega Semiconductor)
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