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Raw Blame History

Hardware-Dokumentation: Energieversorgung

Inhaltsverzeichnis

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	✓
VDDSD	MicroSD-Kartenslot	Buck-Boost-Wandler	✓
VRTC	RTC und MCU-VBAT	VBackup-Multiplexer	–
VBACKUP	RTC-Backup	CR1220-Zelle	–

Systemarchitektur

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

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:

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:

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:

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:

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:

Priorität 1: VDD (DC/DC-Wandler aktiv)
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 - Li-Ion-Schutzschaltung mit integrierten MOSFETs (XySemi)
bq27441-G1 - Fuel Gauge IC (Texas Instruments)
bq24296M - Hocheffizienter Lader-IC mit integrierter Synchronous-Switching-Architektur (Texas Instruments)

USB-Erkennung

bq24230 - USB-Ladegeräteerkennung und -charakterisierung (Texas Instruments)

Spannungsregler

TPS63020 - Hocheffizienter 3,3-V-Buck-Boost-Wandler (Texas Instruments)
XC6206P332MR-G - Ultra-Low-Power 3,3-V-LDO-Regler (Torex Semiconductor)
TPS2116 - Intelligenter Power-Multiplexer mit automatischer Umschaltung (Texas Instruments)

Diskrete Halbleiter

AO3400A - N-Kanal-Logic-Level-MOSFET für digitale Schaltanwendungen (Alpha & Omega Semiconductor)
MDD2301 - P-Kanal-Power-MOSFET für Leistungsschalter bis 3 A (Diodes Incorporated)

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

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