Batteriebetrieb, Controller vor Überspannung schützen ohne große Leerlaufströme

[Alexander H. (ill_son)]

Hallo,

ich habe ein ähnliches Problem wie in diesem Thread

Beitrag "Microcontroller bei Akkuladung vor Überspannung schützen"

beschrieben. Allerdings mit etwas anderen Randbedingungen. Deshalb der 
neue Thread.

Ich habe eine Schaltung mit einem Controller und ein bisschen 
Peripherie. Diese betreibe ich mit einem Li-Ion Akku mit 3,6V 
Nennspannung. Dieser kann per USB über einen in der Schaltung 
enthaltenen Laderegler geladen werden.

Nun ergeben sich daraus folgende Probleme. Der Akku hat teilweise 3,8V 
Spannung, wenn er geladen ist. Schlimmer ist aber die Ladespannug des 
Laderegler, die geht deutlich über 4V und der Controller darf nur 3,6.

1. Geht ein Längsregler oder Low-Drop ala LM317 oder ähnliches auch, 
wenn die Akkuspannung unter die Nennausgangsspannung des Reglers sinkt? 
Wie verhält der sich, wenn der Akku z.B. nur noch 3,1V hat? Die 
Schaltung liefe da ja noch.

2. Es gibt keinen echten Ausschalter. Ich trenne beim Ausschalten nur 
die Peripherie von der Versorgung und lege den Controller schlafen. Nun 
soll mir aber nicht der Spannungsregler über seine Leerlaufströme den 
Akku entladen. Welcher Regler böte sich da an?

Beste Grüße,

Alex

[jetzt (Gast)]

Was haben denn die parametrischen suchen bei den Herstellern ergeben ?

[jetzt (Gast)]

LM317 ist dann eh nichts, der zieht viel zuviel. Schau dir mal Teile wie 
den TPS62102, als Stepdown, oder den LTC3780 als Buck-Boost an

[Alexander H. (ill_son)]

Danke für deine Hilfe, ich werde mir das mal anschauen. Ich hab auch 
noch den NCP154 gefunden. Der sieht auf den ersten Blick auch gut aus.

Grüße, Alex

[Max H. (hartl192)]

Alexander H. schrieb:
> NCP154
Der hat aber ein Quiescent Current von 55µA wenn nur einer der beiden 
Regler aktiv ist. Da gibt's sparsamere: MCP1700 (1.6μA Typical Quiescent 
Current) oder den MCP1710 den es leider nicht als 3.0V Ausführung gibt 
(1.2V, 1.8V, 2.5V, 3.3V, 4.2V).

[Alexander H. (ill_son)]

Danke. Ich muss gestehen, mir fehlt da etwas das Gefühl für die 
Größenordnung bzgl. viel und wenig.

[Daniel H. (Firma: keine) (commander)]

Alexander H. schrieb:
> Danke. Ich muss gestehen, mir fehlt da etwas das Gefühl für die
> Größenordnung bzgl. viel und wenig.

Ist eigentlich ganz einfach.

$$Effizienz = \frac{I_{Controller}}{I_{Controller } + I_{Spannungsreglker}}$$

$$Laufzeit = \frac{C_{Akku}}{I_{Controller} + I_{Spannungsregler}}$$

Höhere Effizienz ist im allgemeinen besser, weil der "nutzlose" 
Spannungsregler nicht den ganzen Strom verbraucht mit dem der Controller 
viel sinnvollere Dinge erledigen könnte.

Beispiele:

$$Effizienz_{1} = \frac{50\mu A}{50\mu A + 55\mu A} = 0,47 = 47%$$

$$Effizienz_{2} = \frac{50\mu A}{50\mu A + 1.6\mu A} = 0,97 = 97%$$

Für batteriebetriebene Anwendungen versuche ich immer eine möglichst 
hohe Effizienz zu erzielen, da der Akku dann wenigstens "sinnvoll" 
geleert wird. Allerdings hängt das natürlich auch von deinem 
Anwendungsfall an. Wenn der Akku nur wenige Minuten halten soll ist der 
Stromverbrauch des Spannungsreglers fast egal. Soll er hingegen mehrere 
Tage, Monate oder gar Jahre halten dann kommt es auf jedes µA an.

Angenommen dein Akku hat 260mAh (der kleinst LiPo den ich grad in der 
Schublade habe), dann ergibt sich mit den Beispielen von oben folgende 
maximale Akkulaufzeit:

$$Laufzeit_{1} = \frac{260mAh}{50\mu A + 55\mu A} = 2476h = 103d$$

$$Laufzeit_{2} = \frac{260mAh}{50\mu A + 1.6\mu A} = 5038h = 209d$$

Und noch ein Extrembeispiel:

$$Laufzeit_{3} = \frac{260mAh}{50\mu A + 500mA} = 0.52h$$

Um das Ganze zu vereinfachen bin ich davon ausgegangen, dass man den 
Akku vollständig entladen kann.

Mit einem geeigneteren Spannungsregler kann man bei diesen Beispielen 
also die Laufzeit knapp verdoppeln. Und anhand des Extrembeispiels kann 
man sehen, dass immer noch einige Minuten Betriebszeit drin sind selbst 
wenn ein absolut ineffizienter Spannungsregler verwendet wird. Wenn es 
also nicht so sehr um extrem lange Akkulaufzeit geht dann macht es kaum 
einen Unterschied ob der Spannungsregler nun einige µA oder mehrere mA 
zieht.

Viele Grüße
Daniel

[Alexander H. (ill_son)]

Hallo,

@Daniel:

vielen Dank für die ausführliche einleuchtende Antwort.

@ all:

Es sind jetzt zwei MCP1710 verbaut. Einer für den Atmel und einer für 
die zuschaltbare Peripherie. Im Sleep Mode bin ich jetzt bei 100uA. Da 
gibt es sicher noch Optimierungspotential, aber man kann das Gerät auch 
mal eine ganze Weile im Schrank parken.

Beste Grüße,

Alex