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Hardware-Dokumentation: Energieversorgung

Inhaltsverzeichnis

Hardware-Dokumentation: Energieversorgung

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/>Diskrete Lösung ]
        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

Funktionsprinzip:

Debug-Priorität (Standby-Zustand): 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.

USB-Priorität (Aktiv-Zustand): 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.

Umschaltverhalten: 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:

Betrieb ausschliesslich vom Debug-Anschluss (ohne Akku/USB)
Verhinderung von Kurzschlüssen zwischen den Versorgungsquellen
USB-Priorisierung im Normalbetrieb (Debug-Anschluss nicht gesteckt)

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.

VBackup-Multiplexer

Implementation: Diskrete Lösung mit Schottky-Dioden und P-Kanal-MOSFET
Funktion: Intelligente Umschaltung zwischen DC/DC-Wandler und LDO für VRTC

Funktionsprinzip:

LDO-Betrieb (DC/DC-Wandler inaktiv): Bei ausgeschaltetem DC/DC-Wandler wird das Gate von Q1 über R2 nach GND gezogen, wodurch der N-Kanal-MOSFET ausgeschaltet bleibt. Das Gate von Q2 wird über R5 auf die Spannung an der Source gezogen, wodurch auch dieser P-Kanal-MOSFET ausgeschaltet bleibt. Die Versorgung von VRTC erfolgt über die Schottky-Diode D1 direkt vom LDO.

DC/DC-Betrieb (DC/DC-Wandler aktiv): Beim Einschalten des DC/DC-Wandlers wird von diesem das Power Good-Signal (Open-Drain-Ausgang) zunächst auf GND gezogen. Q1 bleibt sperrend, der Mikrocontroller verbleibt im Reset-Zustand. Sobald die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers stabil ist, schaltet dieser den Open-Drain-Ausgang Power Good frei, wodurch das Gate von Q1 über R1 auf 3,3 V gezogen wird. Q1 wird leitend und zieht folglich das Gate von Q2 über den leitenden Q1 auf GND, wodurch auch Q2 leitend wird.

Der Stromfluss vom LDO über D1 wird unterbunden, da die Ausgangsspannung des LDO gleich gross oder kleiner als die des DC/DC-Wandlers ist. Die Versorgung von VRTC erfolgt nun direkt über Q2 vom DC/DC-Wandler.

Prioritätenschema:

Priorität 1: VDD (DC/DC-Wandler aktiv) - Direktversorgung über Q2
Priorität 2: LDO-Ausgang (DC/DC-Wandler inaktiv) - Versorgung über D1

Systemvorteile:

Unterbrechungsfreie Versorgung der RTC während Umschaltungen
Einheitliche Signalpegel für I²C-Kommunikation bei aktivem DC/DC-Wandler
Automatische Umschaltung ohne Mikrocontroller-Eingriff
Minimaler Spannungsabfall durch direkte MOSFET-Schaltung bei hoher Priorität
Sequenzielle Aktivierung verhindert Spannungsspitzen während des Starts

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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