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# Hardware-Dokumentation: Energieversorgung
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## Inhaltsverzeichnis
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<!-- @import "[TOC]" {cmd="toc" depthFrom=1 depthTo=6 orderedList=false} -->
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## Übersicht
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Das Energieversorgungssystem des PowerProfilers basiert auf einem dreistufigen Konzept:
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### Primäre Energiequellen
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- **Externe Versorgung:** USB-C-Anschluss und Debug-Anschluss
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- **Hauptenergie:** 1S Li-Ion/LiPo-Akkupack (2×18650 parallel)
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- **Backup-Versorgung:** CR1220-Knopfzelle für RTC-Erhaltung
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### Interne Spannungsversorgungen
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Das System generiert vier verschiedene Versorgungsspannungen:
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| Versorgung | Funktion | Quelle | Schaltbar |
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|------------|----------|---------|-----------|
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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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| **VBACKUP** | RTC-Backup | [CR1220-Zelle](#backup-batterie-cr1220) | – |
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### Systemarchitektur
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```mermaid
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graph TD
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subgraph "Externe Energiequellen"
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USBC[ USB-C-Anschluss ]
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DEBUG[ Debug-Anschluss ]
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end
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subgraph "Batteriesystem"
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LIPO[( Li-Ion Akkupack<br/>2×18650 parallel )]
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PROTECTION[ Akkuschutzschaltung<br/>XB4908A ]
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GAUGE[ Fuel Gauge<br/>bq27441-G1 ]
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CR1220[( CR1220<br/>Backup-Batterie )]
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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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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/>TPS2116 ]
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SDSWITCH[ SD-Schalter<br/>P-MOSFET ]
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end
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subgraph "Versorgungsausgänge"
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VDD[ VDD<br/>3,3V Haupt ]
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VDDSD[ VDDSD<br/>3,3V SD-Karte ]
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VRTC[ VRTC<br/>3,3V RTC ]
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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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CHARGER <--> GAUGE
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GAUGE <--> PROTECTION
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PROTECTION <--> LIPO
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CHARGER --> DCDC
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CHARGER --> LDO
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DCDC --> VDD
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DCDC --> SDSWITCH --> VDDSD
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DCDC --> PMUX_BACKUP
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LDO --> PMUX_BACKUP
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PMUX_BACKUP --> VRTC
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CR1220 --> VBACKUP
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```
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## Detailbeschreibung
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### Externe Energiequellen
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#### USB-C-Anschluss
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Der USB-C-Anschluss dient der Datenübertragung und Energieversorgung. Das Gerät ist kompatibel mit:
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- Standard-PC/Laptop-USB-Anschlüssen
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- USB-C-Ladegeräten (Smartphone, Laptop)
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- USB Power Delivery (USB-PD) Quellen
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Die Ladeschaltung erkennt automatisch die verfügbare Stromstärke über:
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- **CC-Leitungen:** USB-C-konforme Stromerkennung (bis 3 A)
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- **Datenleitung-Analyse:** USB Battery Charging Detection (BCD) über bq24239
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#### Debug-Anschluss
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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.
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### Batteriesystem
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#### Li-Ion-Akku
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**Konfiguration:** 2×18650-Zellen in Parallelschaltung
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**Verbindung:** Verschweisste Nickelstreifen mit integriertem NTC-Temperatursensor
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**Anschluss:** 4-polige Verbindung zur Hauptplatine
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| Anschluss | Funktion |
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|-----------|----------|
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| BAT+ | Positive Akkuspannung |
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| BAT- | Negative Akkuspannung (schaltbar durch Schutzschaltung) |
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| NTC | Temperatursensor |
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| GND | Referenzmasse für NTC |
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Die separate GND-Verbindung für den NTC-Sensor verhindert Potentialprobleme bei ausgelöster Schutzschaltung, da der Temperatursensor weiterhin an einer definierten Referenz angeschlossen bleibt.
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#### Akkuschutzschaltung
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**Baustein:** XB4908A (XySemi)
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**Typ:** Integrierte Li-Ion-Schutzschaltung mit MOSFETs
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Die Schutzschaltung überwacht und schützt vor:
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- **Überladung:** Abschaltung bei >4,30 V, Wiedereinschaltung bei <4,10 V
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- **Tiefentladung:** Abschaltung bei <2,4 V, Wiedereinschaltung bei >3,0 V
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- **Überstrom:** Schutz bei >6 A (Entladung) bzw. >4 A (Ladung)
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**Schlüsselparameter:**
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| Parameter | Symbol | Wert |
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|-----------|--------|------|
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| Betriebsstrom | I_OPE | typ. 3,3 μA |
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| Standby-Strom | I_PD | typ. 1,8 μA |
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| Innenwiderstand | R_SS(on) | typ. 13,5 mΩ |
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| Thermischer Widerstand | θ_JC | 100 K/W |
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**Thermische Auslegung:**
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Bei maximaler Strombelastung (3 A) beträgt die Verlustleistung:
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$$P_{loss} = R_{SS(on)} \cdot I^2 = 20\text{ mΩ} \cdot (3\text{ A})^2 = 180\text{ mW}$$
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Dies führt zu einer Temperaturerhöhung von:
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$$\Delta T = P_{loss} \cdot \theta_{JC} = 180\text{ mW} \cdot 100\text{ K/W} = 18\text{ K}$$
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#### Fuel Gauge
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**Baustein:** bq27441-G1 (Texas Instruments)
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**Shunt-Widerstand:** 0,01 Ω (1206-Gehäuse für Kelvin-Verbindung)
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Die Fuel Gauge überwacht kontinuierlich:
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- Akkuspannung und -strom
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- Ladezustand (State of Charge, SOC)
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- Verbleibende Kapazität
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- Gesundheitszustand (State of Health, SOH)
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**Temperaturerfassung:**
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- **Betriebsmodus:** Temperaturwerte vom Lader-IC über I²C
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- **Ruhemodus:** Interner Temperatursensor der Fuel Gauge
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- **Übergangsstrategie:** Gesteuerte Umschaltung durch RTC-Wake-up
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```mermaid
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stateDiagram-v2
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[*] --> Aktiv: Gerät eingeschaltet
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Aktiv --> Nachlauf: Gerät ausgeschaltet
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Nachlauf --> Tiefschlaf: Temperatur stabil<br/>oder 1h vergangen
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Tiefschlaf --> Aktiv: Gerät eingeschaltet
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note right of Nachlauf
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DC/DC-Wandler wird periodisch
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von RTC gestartet für
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Temperaturübertragung
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end note
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note left of Tiefschlaf
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DC/DC-Wandler ausgeschaltet
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Fuel Gauge verwendet
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internen Temperatursensor
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end note
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```
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#### Backup-Batterie (CR1220)
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**Typ:** Lithium-Knopfzelle CR1220
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**Funktion:** Backup-Versorgung für RTC bei Akkuausfall
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**Lebensdauer:** >10 Jahre (bei primärer Versorgung über Li-Ion-Akku)
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### Energiebilanzierung
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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.
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**Power-Management-Strategie:**
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```mermaid
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stateDiagram-v2
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[*] --> Normalbetrieb
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Normalbetrieb --> DeepPowerDown: Akkuspannung < 3,0 V
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DeepPowerDown --> Aufwachen: Externe Versorgung<br/>angeschlossen
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Aufwachen --> Normalbetrieb: MCU startet System
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note right of DeepPowerDown
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• Lader in Ship-Modus
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• Fuel Gauge in Shutdown
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• Minimaler Stromverbrauch
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end note
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note left of Aufwachen
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• Lader erwacht automatisch
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• MCU muss Fuel Gauge
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über GP-Pin aktivieren
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end note
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```
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#### Ausgangsdaten
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**Akkukonfiguration:** 2×18650-Zellen parallel
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| Parameter | Spezifikation | Konservative Auslegung |
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|-----------|---------------|------------------------|
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| Nennkapazität | 2×3200 mAh | 2×2600 mAh |
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| Nutzbare Kapazität | 6400 mAh | 5200 mAh |
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| Nach Alterung (80%) | 5120 mAh | 4160 mAh |
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| **Kritische Reserve** | **640 mAh** | **41 mAh** |
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Die kritische Reserve ist die verfügbare Energie zwischen 3,0 V (Deep-Power-Down-Schwelle) und 2,5 V (chemisch kritische Spannung).
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#### Verbrauchsanalyse
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**Stromverbrauch im Deep-Power-Down-Modus (Worst Case):**
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| Baustein | Stromverbrauch | Bemerkung |
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|----------|----------------|-----------|
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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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| **Gesamtverbrauch** | **8 μA** | |
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**Standzeit-Berechnung:**
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$$t_{standby} = \frac{Q_{reserve}}{I_{total}} = \frac{41\text{ mAh}}{8\text{ μA}} = 5125\text{ h} = 213\text{ Tage}$$
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Diese Standzeit von über 7 Monaten gewährleistet ausreichend Schutz vor Tiefentladung, selbst unter Worst-Case-Bedingungen und ohne Berücksichtigung der Selbstentladung.
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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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*[Detailbeschreibung folgt]*
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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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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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**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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- Ship-Modus für minimalen Stromverbrauch
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- Integrierte Power-MOSFETs
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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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```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 -- 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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#### 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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Der TPS63020 wurde aufgrund der variablen Li-Ion-Akkuspannung (3,0 V - 4,2 V) als Buck-Boost-Wandler ausgewählt.
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**Technische Vorteile:**
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- Sehr hohe Effizienz über den gesamten Eingangsspannungsbereich
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- Integrierte Power-MOSFETs (kein externes Switching erforderlich)
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- Hohe Schaltfrequenz → kompakte Induktivitäten möglich
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- Ultra-low Shutdown-Strom bei Deaktivierung
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**Wake-up-Logik:**
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Der Wandler wird über ein Wired-OR-Gatter aus mehreren Quellen aktiviert:
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```mermaid
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graph TD
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BUTTON[Einschalttaster] --> DIODE1[Diode]
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RTC[RTC-Wake-up] --> DIODE2[Diode]
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CHARGER[Lader-Wake-up] --> DIODE3[Diode]
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DIODE1 --> OR[Wired-OR]
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DIODE2 --> OR
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DIODE3 --> OR
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OR --> NMOS[N-MOSFET<br/>Inverter]
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MCU[Mikrocontroller] --> LATCH[Self-Latching]
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NMOS --> DIODE4[Diode]
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LATCH --> DIODE5[Diode]
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DIODE4 --> ENABLE[TPS63020<br/>Enable-Eingang]
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DIODE5 --> ENABLE
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||
```
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#### SD-Karten-Schalter
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**Implementation:** P-Kanal-MOSFET (Load Switch)
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**Steuerung:** Mikrocontroller-GPIO mit RC-Gatebeschaltung
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SD-Karten können auch im Idle-Zustand signifikanten Stromverbrauch aufweisen. Der schaltbare SD-Kartenslot ermöglicht eine vollständige Trennung der Versorgung bei Nichtbenutzung.
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**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.
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#### Low-Dropout-Regulator (3,3 V)
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**Baustein:** XC6206P332MR-G (Torex)
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**Funktion:** RTC- und VBAT-Versorgung bei deaktiviertem DC/DC-Wandler
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**Schlüsselparameter:**
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- Eigenverbrauch: 1 μA (typisch)
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- Dropout-Spannung: 160 mV @ 100 mA
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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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#### Power-Multiplexer
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**Baustein:** TPS2116 (Texas Instruments)
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**Funktion:** Intelligente Umschaltung zwischen DC/DC-Wandler und LDO für VRTC
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#### VBackup-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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**Prioritätenschema:**
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1. **Priorität 1:** VDD (DC/DC-Wandler aktiv)
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2. **Priorität 2:** LDO-Ausgang (DC/DC-Wandler inaktiv)
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Der Multiplexer gewährleistet:
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- Unterbrechungsfreie Versorgung der RTC
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- Einheitliche Signalpegel für I²C-Kommunikation
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- Automatische Umschaltung ohne MCU-Eingriff
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*[Detailbeschreibung der diskreten Implementierung folgt]*
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## Bauteilauslegung
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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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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.
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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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**Technische Daten:**
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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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**Thermische Auslegung (Power-Multiplexer bei 3 A, Worst Case):**
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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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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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||
**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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Beide Anwendungsfälle liegen deutlich innerhalb der Spezifikationsgrenzen.
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## Referenzen und Datenblätter
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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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### USB-Erkennung
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- **[bq24230](datasheets/USB%20Detection/bq24230.pdf)** - USB-Ladegeräteerkennung und -charakterisierung (Texas Instruments)
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### Spannungsregler
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||
- **[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)
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||
- **[TPS2116](datasheets/Power%20Mux/tps2116.pdf)** - Intelligenter Power-Multiplexer mit automatischer Umschaltung (Texas Instruments)
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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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||
*Dokument-Version: 2.0*
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||
*Letzte Aktualisierung: Oktober 2025*
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*Status: Aktualisiert für finale Bauteilauswahl* |