# Hardware-Dokumentation: Energieversorgung

## Inhaltsverzeichnis

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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 | [VBackup-Multiplexer](#vbackup-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"
        PMUX_EXT[ Power-Multiplexer<br/>Externe Quellen ]
        CHARGER[ Ladeschaltung<br/>bq24296M + bq24239 ]
        DCDC[ Buck-Boost-Wandler<br/>TPS63020 ]
        LDO[ LDO-Regler<br/>XC6206P332MR-G ]
        PMUX_BACKUP[ VBackup-Multiplexer<br/>TPS2116 ]
        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 --> PMUX_EXT
    DEBUG --> PMUX_EXT
    PMUX_EXT --> 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) |
| bq24296M (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

#### Power-Multiplexer (Externe Quellen)
**Implementation:** Diskrete Lösung mit P-Kanal-MOSFETs  
**Funktion:** Intelligente Umschaltung zwischen USB-C und Debug-Anschluss

*[Detailbeschreibung folgt]*

#### Ladeschaltung
**Hauptbaustein:** bq24296M (Texas Instruments)  
**Zusatzbaustein:** bq24239 für erweiterte Ladegeräteerkennung

Die Ladeschaltung wurde von der ursprünglich geplanten bq25672 auf die bq24296M umgestellt, um Layoutkomplexität zu reduzieren bei gleichzeitiger Beibehaltung aller wichtigen Funktionen.

**Kernfunktionen der bq24296M:**
- Einstellbarer Ladestrom bis 3 A (10-mA-Schritte über I²C)
- Einstellbare Eingangsstrombegrenzung
- Hohe Effizienz durch integrierte Synchronous-Switching-Architektur
- NVDC-Funktion (Narrow Voltage DC)
- Ship-Modus für minimalen Stromverbrauch
- Integrierte Power-MOSFETs

**Erweiterte Ladegeräteerkennung:**
Da die bq24296M keine direkte USB-Ladegeräteerkennung bietet, wird zusätzlich der bq24239 eingesetzt:

```mermaid
flowchart TD
    START[Externe Versorgung erkannt] --> CC{CC-Leitungen messen}
    CC -->|> 1,31 V| C[USB-C: 3 A verfügbar]
    CC -->|0,71 V - 1,16 V| D[USB-C: 1,5 A verfügbar]
    CC -->|< 0,61 V| BCD{bq24239 auslesen}
    
    BCD -->|SDP erkannt| ENUM[USB-Enumerierung]
    BCD -->|DCP/CDP erkannt| SET[Strombegrenzung<br/>gemäss bq24239]
    
    ENUM --> LIMIT[Strombegrenzung<br/>gemäss Enumerierung]
    
    C --> CONFIG[Ladestrom konfigurieren]
    D --> CONFIG
    SET --> CONFIG
    LIMIT --> CONFIG
```

**Systemverbindung:**
```mermaid
graph LR
    USBC[USB-C-Anschluss] --> CHARGER[bq24296M]
    USBC -- D+/D- --> DETECTOR[bq24239]
    USBC -- CC1/CC2 --> MCU[Mikrocontroller]
    
    DETECTOR -- D+/D- --> MCU
    DETECTOR -- Erkennungssignale --> MCU
    MCU -- I²C --> CHARGER
    
    CHARGER --> SYSTEM[Systemversorgung]
```

#### 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 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

**Prioritätenschema:**
1. **Priorität 1:** VDD (DC/DC-Wandler aktiv)
2. **Priorität 2:** LDO-Ausgang (DC/DC-Wandler inaktiv)

Der Multiplexer gewährleistet:
- Unterbrechungsfreie Versorgung der RTC
- Einheitliche Signalpegel für I²C-Kommunikation
- Automatische Umschaltung ohne MCU-Eingriff

*[Detailbeschreibung der diskreten Implementierung folgt]*

## Bauteilauslegung

### 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
**Baustein:** MDD2301  
**Anwendungen:** Power-Multiplexer, Backup-MUX, SD-Kartenversorgung

Der kritischste Anwendungsfall ist der Power-Multiplexer mit bis zu 3 A Strombelastung.

**Technische Daten:**

| Parameter | Wert |
|-----------|------|
| Gehäuse | SOT-23 |
| R_DS(on) @ 4,5 V | typ. 33 mΩ, max. 45 mΩ |
| R_DS(on) @ 2,5 V | typ. 46 mΩ, max. 60 mΩ |
| Thermischer Widerstand | R_θJA = 100 K/W |
| Leckstrom | I_DSS < 1 μA @ -10 V |

**Thermische Auslegung (Power-Multiplexer bei 3 A, Worst Case):**

Verlustleistung:
$$P_{loss} = R_{DS(on)} \cdot I^2 = 45\text{ mΩ} \cdot (3\text{ A})^2 = 405\text{ mW}$$

Temperaturerhöhung:
$$\Delta T = P_{loss} \cdot R_{\theta JA} = 405\text{ mW} \cdot 100\text{ K/W} = 40,5\text{ K}$$

**Spannungsabfall-Analyse (Backup-MUX bei 2 mA):**
$$\Delta U = R_{DS(on)} \cdot I = 45\text{ mΩ} \cdot 2\text{ mA} = 0,09\text{ mV}$$

Beide 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)
- **[bq24296M](datasheets/Charger/bq24296m.pdf)** - Hocheffizienter Lader-IC mit integrierter Synchronous-Switching-Architektur (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)
- **[MDD2301](datasheets/MOSFET/mdd2301.pdf)** - P-Kanal-Power-MOSFET für Leistungsschalter bis 3 A (Diodes Incorporated)

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