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docs: Fix datasheet links and reorganize documentation structure 

- Removed datasheet links from mermaid diagrams to fix rendering issues
- Moved all datasheet references from inline text to dedicated section
- Added comprehensive 'Datenblätter' section with categorized component links:
  * Energieversorgung (XB4908A, BQ27441-G1, BQ25672)
  * Spannungswandlung (TPS63020, XC6206P332MR-G, TPS2116)
  * Diskrete Bauteile (HL3416)
- Updated table of contents to include new datasheet section
- Improved readability by removing link clutter from technical text
- Fixed flowchart diagram functionality in Hardware_PowerSupply.de.md
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Eduard Iten 2025-10-06 15:20:12 +02:00
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52
doc/Hardware_PowerSupply.de.md
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@ -26,6 +26,7 @@
- [Power-Mux](#power-mux) - [Power-Mux](#power-mux)
- [Dimensionierungen](#dimensionierungen) - [Dimensionierungen](#dimensionierungen)
- [N-FETs](#n-fets) - [N-FETs](#n-fets)
- [Datenblätter](#datenblätter)
<!-- /code_chunk_output --> <!-- /code_chunk_output -->
@ -106,7 +107,7 @@ $$
\Delta U = R \cdot I = 35\text{ mΩ} \cdot 3\text{ A} = 105\text{ mV} \Delta U = R \cdot I = 35\text{ mΩ} \cdot 3\text{ A} = 105\text{ mV}
$$ $$
Da in der Schutzschaltung 2 FETs in Common-Drain-Schaltung vorhanden sind ergibt das total 210 mV. Laut Datenblatt kann der *FM2113* bereits bei 120 mV einen Überstrom erkennen. Da in der Schutzschaltung 2 FETs in Common-Drain-Schaltung vorhanden sind ergibt das total 210 mV. Laut Datenblatt kann der *FM2113* bereits bei 120 mV einen Überstrom erkennen.
Bessere FETs sind selten, größer und/oder teurer. Bei meiner Suche bin ich dann über den [**XB4908A**](datasheets/LiIon%20Protection/XB4908.pdf) von XySemi gestoßen, eine LiPo-Protection-IC mit integrierten FETs. Der Baustein schützt vor *Überladung*, *Tiefentladung* und *Überstrom*. Die wichtigsten Daten will ich hier aufführen, da der Chip wohl nicht sehr bekannt sein dürfte: Bessere FETs sind selten, größer und/oder teurer. Bei meiner Suche bin ich dann über den **XB4908A** von XySemi gestoßen, eine LiPo-Protection-IC mit integrierten FETs. Der Baustein schützt vor *Überladung*, *Tiefentladung* und *Überstrom*. Die wichtigsten Daten will ich hier aufführen, da der Chip wohl nicht sehr bekannt sein dürfte:
|Parameter|Symbol|Wert| |Parameter|Symbol|Wert|
|---|---|---| |---|---|---|
|Überladespannungsauslösung|OCV|4.30 V| |Überladespannungsauslösung|OCV|4.30 V|
@ -128,8 +129,8 @@ $$
Eine Erwärmung um 18 K bei maximalem Ladestrom sollte absolut kein Problem sein. Eine Erwärmung um 18 K bei maximalem Ladestrom sollte absolut kein Problem sein.
#### Fuel Gauge #### 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. Als Fuel Gauge wird der **BQ27441-G1** 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. Zur Strommessung ist ein `0.01 Ω` Shunt-Widerstand vorgesehen. Hierbei ist vor allem die Temperaturstabilität maßgeblich, da der genaue Widerstandswert im **BQ27441-G1** konfiguriert/kalibriert werden kann.
Die Verlustleistung am Widerstand ist relativ gering: Die Verlustleistung am Widerstand ist relativ gering:
$$ $$
\begin{aligned} \begin{aligned}
@ -140,7 +141,7 @@ $$
$$ $$
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. 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. 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. Da der **BQ27441-G1** 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 ```mermaid
stateDiagram-v2 stateDiagram-v2
[*] --> Betrieb [*] --> Betrieb
@ -186,16 +187,16 @@ Vorgesehen sind 2×3200 mAh-18650-Zellen parallel. Zur Sicherheit rechne ich mit
Beim Verbrauch fliessen die Worst-Case (höchsten) Angaben ein: Beim Verbrauch fliessen die Worst-Case (höchsten) Angaben ein:
|Verbraucher|Verbrauch| |Verbraucher|Verbrauch|
|---|---:| |---|---:|
|Schutzschaltung XB4908A|6μA| |Schutzschaltung **XB4908A**|6 μA|
|Fuel Gauge BQ27441-G1 (im Datenblatt steht nur der typische Verbrauch von 0.6μA, Worst-Case geschätzt)|1μA| |Fuel Gauge **BQ27441-G1** (im Datenblatt steht nur der typische Verbrauch von 0.6 μA, Worst-Case geschätzt)|1 μA|
|Lader BQ25672(0.7μA laut Datenblatt, aufgerunden|1μA| |Lader **BQ25672** (0.7 μA laut Datenblatt, aufgerundet)|1 μA|
|**total**|**8μA**| |**total**|**8 μA**|
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. 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 ### Energiewandlung
#### Lader #### Lader
Als Ladechip ist der [**BQ25672**](datasheets/Charger/bq25672.pdf) vorgesehen. Dieser bietet einige für das Projekt interessante Funktionen: Als Ladechip ist der **BQ25672** vorgesehen. Dieser bietet einige für das Projekt interessante Funktionen:
- Erkennung von zwei externen Spannungsquellen und Auslösung von Interrupts bei deren Anschluss oder Trennung. - 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). - Einstellbarer Ladestrom von bis zu 3 A (in 10 mA-Schritten über I²C).
- Einstellbare Eingangsstrombegrenzung (über I²C). - Einstellbare Eingangsstrombegrenzung (über I²C).
@ -211,10 +212,10 @@ flowchart TD
A[START] -->|Anstecken erkannt| B{CC-Leitungen messen} A[START] -->|Anstecken erkannt| B{CC-Leitungen messen}
B -->|größer 1.31 V| C[USB-C 3 A] 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 -->|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) B -->|kleiner 0.61 V| E(BQ25672 auslesen)
E --> F{[**BQ25672**](datasheets/Charger/bq25672.pdf) hat USB-Port bestimmt} E --> F{BQ25672 hat USB-Port bestimmt}
F -->|SDP erkannt| G(USB Enumerieren) -->H[Strombegrenzung gem. Enumerierung] 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] F -->|ansonsten| I(BQ25672 A-Port-Erkennung auslesen) -->J[Strombegrenzung entsprechend setzen]
``` ```
Dazu ist diese Beschaltung nötig: Dazu ist diese Beschaltung nötig:
@ -231,7 +232,7 @@ graph TD;
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. 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) #### 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: 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**, der folgende Vorteile bietet:
- Sehr hohe Effizienz - Sehr hohe Effizienz
- Integrierte FETs - Integrierte FETs
- Hohe Schaltfrequenz, was kleine Induktivitäten ermöglicht - Hohe Schaltfrequenz, was kleine Induktivitäten ermöglicht
@ -248,10 +249,10 @@ Da die Wecksignale aktiv-low sind, werden sie über Dioden zu einem Wired-OR-Gat
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. 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 #### 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. 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** 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 #### 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. Ein **TPS2116** 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 ## Dimensionierungen
Im Folgenden werden die wesentlichen Dimensionierungen behandelt. Im Folgenden werden die wesentlichen Dimensionierungen behandelt.
@ -281,7 +282,7 @@ $$
\end{aligned} \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: Die Verlustleistung ist zu gross für das Gehäuse. Die Wahl fällt deshalb auf den **HL3416** mit einem R<sub>ds(on)</sub> von typisch 18 mΩ, maximal 26 mΩ bei 2.5 V:
- **Spannungsabfall:** - **Spannungsabfall:**
$$ $$
\begin{aligned} \begin{aligned}
@ -299,4 +300,21 @@ $$
&= 0.026\text{ Ω} \cdot (3\text{ A})^2 = 0.234\text{ W} &= 0.026\text{ Ω} \cdot (3\text{ A})^2 = 0.234\text{ W}
\end{aligned} \end{aligned}
$$ $$
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. 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** dank Ladungspumpen ca. 5 V beträgt. Die Worst-Case-Berechnung ist für den Batterieschutz, der aber bei der gewählten Konfiguration integrierte FETs hat.
## Datenblätter
Die Datenblätter aller verwendeten Bauteile sind in diesem Repository verfügbar:
### Energieversorgung
- **[XB4908A](datasheets/LiIon%20Protection/XB4908.pdf)** - Li-Ion Protection IC mit integrierten FETs
- **[BQ27441-G1](datasheets/Fuel%20Gauge/bq27441-g1.pdf)** - Fuel Gauge IC von Texas Instruments
- **[BQ25672](datasheets/Charger/bq25672.pdf)** - Lader-IC mit Buck-Boost-Architektur
### Spannungswandlung
- **[TPS63020](datasheets/DC-DC%20Converter/tps63020.pdf)** - 3.3V Buck-Boost-Wandler von Texas Instruments
- **[XC6206P332MR-G](datasheets/LDO/xc6206p332mr-g.pdf)** - 3.3V Low-Dropout-Regulator von Torex
- **[TPS2116](datasheets/Power%20Mux/tps2116.pdf)** - Power-Multiplexer von Texas Instruments
### Diskrete Bauteile
- **[HL3416](datasheets/MOSFET/hl3416.pdf)** - N-Kanal MOSFET für Schalter und FET-Anwendungen