Schaltplan prüfen: Stromversorgung aus Akku mit Spannungsmessung und Taster

OP #8103999

Moin,

könnte jemand bitte über den Prinzipschaltplan drüberschauen? Die angehängten Dateien haben den gleichen Inhalt, nur ein anderes Format.

Eine Schaltung, unter Anderem mit einem Mikrocontroller, soll mit 3,3 V aus einem Akku versorgt werden. Die Akkuspannung soll gemessen und die Ladespannung zumindest detektiert werden können. Die Schaltung soll über einen Taster ein- und komplett ausgeschaltet werden können. Im ausgeschalteten Zustand soll die ganze Schaltung möglichst wenig Strom verbrauchen. Eigentlich eine Standardanwendung, aber trotzdem habe ich nichts fertiges gefunden.

Die globalen Bezeichner (die mit dem Kasten) werden an Mikrocontrollerpins angeschlossen.

Der obere linke Teil ist selbsterklärend. Ein Anschluss für den Akku, ein zweiter für die Ladespannung. Der Ladecontroller überwacht die Ladung.

Den Power-Path habe ich von https://hackaday.com/2024/03/14/lithium-ion-batteries-power-your-devboards-easily/ abgeschaut. Während der Akku geladen wird, wird die Schaltung über D4 vom Ladegerät versorgt. Das Gate von Q1 wird hochgezogen, so dass der Ladestrom nicht in die Schaltung fließt. Ohne Ladespannung schaltet Q1 durch und die Schaltung wird vom Akku versorgt.

Der DCDC-Wandler (der bei EN=0 den Ausgang vom Eingang trennt) kann über Enable ein- oder ausgeschaltet werden. Dafür ist die Schaltung unten links vorgesehen. Da habe ich am ehesten das Gefühl, dass ich mich da ein etwas verrannt habe. Das Prinzip ist, dass durch einen Tastendruck EN hochgezogen und damit der DCDC-Wandler gestartet wird. Der Mikrocontroller startet und über DCDC_En den Eingang dauerhaft hoch, bis er das Ausschaltsignal bekommt. Dann zieht er den Pin auf GND und schaltet sich damit selber ab. Wenn Ladespannng (VUSB) anliegt, soll die Schaltung dauerhaft versorgt werden. Dafür wird EN über D2 hochgezogen. Über R4 kann die Tasterstellung ausgelesen werden.

Bei den Spannungsmessungen unten rechts wird über die Spannungsteiler die zu messende Spannung auf maximal etwa 1 V runtergeteilt. Damit wird zwar Messbereich verschenkt, aber die Auflösung ist trotzdem ausreichend. Über Q2 oder Q3 wird der Spannungsteiler getrennt, wenn der DCDC-Wandler ausgeschaltet ist, damit kein Strom mehr fließt. Deshalb auch das Runterteilen der Messspannung, damit von 3,3 V VCC noch genug Gatespannung zum Durchschalten bleibt. Bei 2,3 V Ugs schalten die Transistoren nicht vollständig durch, aber ich nehme an, dass Rds auch dann im Verhältnis zu den Spannungsteilerwiderständen weitestgehend vernachlässigbar ist.

Fallen jemandem da grobe Fehler oder signifikante Verbesserungsmöglichkeiten auf?

Angehängte Dateien:

hhinz hat recht, den Sourcefolger bei der Spannungsmessung kannst du streichen, der bringt dir nur einen Vgs-Offset rein, der noch vom Strom und der Temperatur abhängt. Nimm einen schlichten hochohmigen Teiler direkt an den ADC 1M zu 300k ergibt bei 4,2 V rund 0,97 V und zieht dabei nur gut 3 µA, im ausgeschalteten Zustand also vernachlässigbar. Willst du die trotzdem loswerden, schaltest du den Teiler mit einem P-Kanal-FET als High-Side ab statt als Sourcefolger. Das Taster-Latching über EN und die MCU klingt soweit stimmig.

Und zu deinem 'nichts Fertiges gefunden': die Kombi Lader plus Buck-Boost für 3,3 V gibt es durchaus als fertiges Solder-Down-Modul auf einer Platine. Ein MicroPowerCore lädt die Zelle, hält die 3,3 V über den ganzen Bereich 4,2 bis 3,0 V und zieht im Leerlauf um die 17-18 µA, genau die Zahl die bei deinem 'so wenig Strom wie möglich' zählt. Damit sparst du dir Ladecontroller und DCDC auf deiner eigenen Platine, Taster und Mess-Teiler behältst du.

Florian schrieb:

Bei 2,3 V Ugs schalten die Transistoren nicht vollständig durch

Nimm halt MOSFETs, die das können, Si1012 oder http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.2

und lege G nicht an VCC sondern einen Portpin der nur zum Messen eingeschaltet wird.

Florian schrieb:

Während der Akku geladen wird, wird die Schaltung über D4 vom Ladegerät versorgt.

Warum ? Deine Schaltung arbeitet auch mit Akkuspannung. Immer. Du kannst sie also einfach immer vom Akku aus versorgen. Egal ob der geladen wird oder nicht. Spar dir die ganze Umschaltung.

Florian schrieb:

Der DCDC-Wandler (der bei EN=0 den Ausgang vom Eingang trennt

Da du NATÜRLICH den Typ nicht genannt hast, fragt sich, wie hoch EN sein muss zum Einschalten. Manche wollen fast VIN. Dann funktioniert deine Schaltung nicht. Und ob er unbedingt 1k (statt 100k) nach Masse braucht zum ausschalen ist auch nicht klar, denn dein 1k frisstx2.5mA wenn die Schaltung arbeitet. Klugerweise sollte es nicht nur ein step down oder gar Linearregler sein, sondern ein BuckBoost mit Synchrongleichrichter, dann kann er den Akku nicht nur bis 3.3V nutzen sondern ganz leer machen, zumindest 3V.

OP

Danke für die weiteren Antworten.

James G. schrieb:

hhinz hat recht, den Sourcefolger bei der Spannungsmessung kannst du streichen, der bringt dir nur einen Vgs-Offset rein, der noch vom Strom und der Temperatur abhängt.

Was meinst du damit? Vielleicht stehe ich auf dem Schlauch, aber da du von Vgs schreibst, Vcc ist das 'Steuersignal', das den Spannungsteiler durchschaltet, um VBAT oder VUSB zu messen. Ich hatte nämlich daran gedacht, VUSB/VBAT ans Gate anzuschließen, aber das wegen der Verfälschung durch Vgs verworfen. Oder verstehe ich da was falsch?

James G. schrieb:

Nimm einen schlichten hochohmigen Teiler direkt an den ADC 1M zu 300k ergibt bei 4,2 V rund 0,97 V und zieht dabei nur gut 3 µA, im ausgeschalteten Zustand also vernachlässigbar.

Verschiedene DCDC-Wandler haben einen Ruheverbrauch (EN=0) von typ. 0,1 µA, max. 1 µA. 3 µA wäre da schon eine deutliche Steigerung. Deshalb würde ich gerne ganz ausschalten.

James G. schrieb:

Willst du die trotzdem loswerden, schaltest du den Teiler mit einem P-Kanal-FET als High-Side ab statt als Sourcefolger.

Meinst du wie im Anhang? Wie wird dann das Gate beschaltet? Das müsste ja dann gegen VBAT gehen (im Anhang über R3), damit der Spannungsteiler im Ruhezustand abgeschaltet ist?

James G. schrieb:

die Kombi Lader plus Buck-Boost für 3,3 V gibt es durchaus als fertiges Solder-Down-Modul auf einer Platine. Ein MicroPowerCore lädt die Zelle, hält die 3,3 V über den ganzen Bereich 4,2 bis 3,0 V und zieht im Leerlauf um die 17-18 µA, genau die Zahl die bei deinem 'so wenig Strom wie möglich' zählt.

Mit Batteriespannungsmessung? Das war nämlich das, was ich nicht gefunden habe. Und 17 µA ist halt doch etwas mehr als 1 µA.

Michael B. schrieb:

und lege G nicht an VCC sondern einen Portpin der nur zum Messen eingeschaltet wird.

Danke für den Hinweis.

Michael B. schrieb:

Warum ? Deine Schaltung arbeitet auch mit Akkuspannung. Immer. Du kannst sie also einfach immer vom Akku aus versorgen. Egal ob der geladen wird oder nicht. Spar dir die ganze Umschaltung.

Der Verbrauch im Betrieb ist relativ groß im Vergleich zum Akkuladestrom (ganz grob Schaltung bis zu 30 mA gegenüber Ladestrom 120 mA). Das heißt, je nachdem würde die Schaltung einen Großteil des Ladestroms wegziehen und damit die Ladezeit verlängern. Allerdings schwankt der Verbrauch stark, deshalb kann der Ladestrom nicht einfach entsprechend größer ausgelegt werden. Da es nur wenige Centbauteile zusätzlich sind, habe ich an diesen Power-Path gedacht. Spricht irgendwas dagegen, außer dass es ein paar Bauteile sparen würde?

Michael B. schrieb:

Da du NATÜRLICH den Typ nicht genannt hast, fragt sich, wie hoch EN sein muss zum Einschalten.

Alle, die ich mir angesehen habe, hatten die EN-Schaltschwelle bei weniger als 2 V. Aber trotzdem danke für den Hinweis.

Vielen Dank für die Tips. Und nicht falsch verstehen, ich frage nach, um zu verstehen und es dann einschätzen zu können.

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