TPS63031 Beschaltungs-Frage

[W. S. (tiny_smu)]

Guten morgen,

mein Aufbau soll folgende Funktion erfüllen.
3500mAh LiPo Batterie soll von 4.2V bis 3.0V am buck-boost TPS63031 
hängen, welcher 3.3V für mein µC-System bereitstellt.
Da der TPS63031 den LiPo laut Datenblat jedoch bis weit unter 3.0V 
entladen wird, muss ich dem entgegen treten.
Dazu möchte ich gerne den Enable (EN) Eingang high setzen, um den 
buck-boost zu starten und ab 3.0V wieder low setzen. Wäre diese 
Umsetzung auch mit einem hochohmigen Spannungsteiler direkt am LiPo 
möglich? (V_threshold_VINA=1.6V)
(Ich verlass mich ungern auf den protection circuit des LiPo)
Zudem bin ich über die Beschaltung des TPS63031-Bauteils im Datenblatt 
ein wenig confused.
Im Funktionsblockdiagram wird ein Widerstand ohne Wert zwischen VIN und 
VINA angezeigt. Bedeutet das, dass VINA schon mit ausreichend Spannung 
über VIN versorgt wird, oder sollte ich ihn wie auf Seite 1 direkt mit 
VIN verbinden.
Desweiteren möchte ich den power-safe mode benutzen (PS->low), stimmt 
das soweit mit meinem Schaltplan überein?

[N. B. (saint1234)]

Hallo,

ein Schmittrigger wäre dort besser geeignet, weil ein hochohmiger 
Spannungsteiler sehr empfindlich gegenüber Rauschen ist 
(Temperaturabhängigkeit des Akkus etc).

Gruß,

[Axel S. (a-za-z0-9)]

W. S. schrieb:
> Da der TPS63031 den LiPo laut Datenblat jedoch bis weit unter 3.0V
> entladen wird, muss ich dem entgegen treten.
> Dazu möchte ich gerne den Enable (EN) Eingang high setzen, um den
> buck-boost zu starten und ab 3.0V wieder low setzen. Wäre diese
> Umsetzung auch mit einem hochohmigen Spannungsteiler direkt am LiPo
> möglich? (V_threshold_VINA=1.6V)

Jein. Du mußt dazu nicht den EN Eingang benutzen, sondern VINA. 
Allerdings zeigt das Blockschaltbild da einen internen Widerstand 
zwischen VIN und VIN dessen Wert nicht angegeben ist.

Ebenfalls enthält das Datenblatt keine Angabe zur Hysterese von VINA. 
Vermutlich wird die also zu klein sein, was dann ein Oszillieren der 
Schaltung zwischen "Betrieb" und "Unterspannungsabschaltung" zur Folge 
hätte. Dem könnte man dadurch abhelfen, daß man eine Rückkopplung vom 
Ausgang nach VINA hinzufügt. Dadurch ist die Schaltschwelle bei 
laufendem Wandler niedriger als bei abgeschaltetem - voila!

[W. S. (tiny_smu)]

Axel S. schrieb:
> Dem könnte man dadurch abhelfen, daß man eine Rückkopplung vom
> Ausgang nach VINA hinzufügt. Dadurch ist die Schaltschwelle bei
> laufendem Wandler niedriger als bei abgeschaltetem - voila!

Das mit dem Rückkoppeln habe ich jetzt nicht ganz verstanden.
Laut Datenblatt besitzt der VINA einen Under voltage lockout threshold 
bei unter 1.6V. Wenn ich diesen auf meine gewünschte 3.0V setzen könnte, 
würde sich das Bauteil doch bei einer Ladespannung am LIPO von 3.0V 
abschalten?
Möglich durch Schmitttrigger oder Spannungsteiler?

[Axel S. (a-za-z0-9)]

W. S. schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Dem könnte man dadurch abhelfen, daß man eine Rückkopplung vom
>> Ausgang nach VINA hinzufügt. Dadurch ist die Schaltschwelle bei
>> laufendem Wandler niedriger als bei abgeschaltetem - voila!
>
> Das mit dem Rückkoppeln habe ich jetzt nicht ganz verstanden.

<seufz> Analogschaltungen kann heutzutage anscheinend keiner mehr

> Laut Datenblatt besitzt der VINA einen Under voltage lockout threshold
> bei unter 1.6V. Wenn ich diesen auf meine gewünschte 3.0V setzen könnte,
> würde sich das Bauteil doch bei einer Ladespannung am LIPO von 3.0V
> abschalten?

Klar kannst du die 3V von deinem Akku per Spannungsteiler auf 1.6V 
runterteilen. Die Frage ist nur, bei welcher Spannung der Regler dann 
wieder einschaltet. Und genau dieser Wert geht aus dem Datenblatt nicht 
hervor. Im Extremfall schaltet er bei 1.6V zwischen beiden Zuständen hin 
und her. Was dann dazu führt, daß die gesamte Schaltung flattert. Denn 
beim Abschalten des Reglers kann man davon ausgehen, daß die Akku- 
Klemmspannung zumindest kurzfristig erstmal ansteigt.

Real würde man da ordentlich Hyterese haben wollen. Sagen wir 300mV. Das 
macht dann mit Spannungsteiler gut 500mV Hysterese am Akku.

Mit der Gegenkopplung vom Ausgang kannst du das aber auch erreichen.
Ohne Hysterese könnte man z.B. einen Spannungsteiler aus 190K und 220K 
bauen. Das gibt ziemlich genau 3V am Akku für 1.6V an VINA.

Statt dessen nehmen wir 2x 220K und zusätzlich 1.8M vom Ausgang nach 
VINA. Das gibt dann 2.99V Abschalt- und 3.4V Einschaltschwelle. Weil der 
1.8M Widerstand je nachdem ob der Regler an oder aus ist, nach 3.3V oder 
nach GND liegt und dadurch das Teilerverhältnis verändert.

[W. S. (tiny_smu)]

Axel S. schrieb:
> Statt dessen nehmen wir 2x 220K und zusätzlich 1.8M vom Ausgang nach
> VINA. Das gibt dann 2.99V Abschalt- und 3.4V Einschaltschwelle. Weil der
> 1.8M Widerstand je nachdem ob der Regler an oder aus ist, nach 3.3V oder
> nach GND liegt und dadurch das Teilerverhältnis verändert.

Ich hab die Schaltung jetzt mal so angepasst.

Phase 1:
Buckboost OFF. 1.8M liegt an GND und daher paralell zu R11. Ergibt 196k 
Ersatzwiderstand. Der Spannungsteiler liefert 1.59V VINA bei 3V LIPO.
Buckboost springt an!
Phase 2:
Buckboost ON. 1.8M liegt an 3.3V und daher vernachlässigbar. Der 
Spannungsteiler liefert 1.5V VINA bei 3V LIPO. Buckboost geht in 
shutdown!

Da ist irgendwas verdreht?

[Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish)]

Aus dem Datenblatt:
Bypass Capacitor
To make sure that the internal control circuits are supplied with a 
stable low noise supply voltage, a capacitor can
be connected between VINA and GND. Using a ceramic capacitor with a 
value of 0.1μF is recommended. The
value of this capacitor should not be higher than 0.22μF.

Ich lese schon eine Weile mit und bin mir nicht sicher, ob der Ansatz 
über VINA sinnvoll ist.

VINA ist die Versorgungsspannung der internen Steuerlogik. Der 
Widerstand zwischen VIN/VINA könnte zur Spannungsstabilisierung mit dem 
o.g. Kappa beitragen.

Typisches Dilemma: Es gibt viele Schaltregler, die im ersten Moment sehr 
kompakt und billig erscheinen - und dann fehlt eine lebenswichtige 
Funktion. Hier ist das der UVLO.

Mein Vorschlag:
Bei kleiner Stückzahl: externe Beschaltung von EN mit einem 
Batteriemonitor. Der kann fertig gekauft werden - Stichwort "Monitor". 
Oder aus Einzelkomponenten gebaut werden.

Bei hinreichend großer Stückzahl: anderer Schaltwandler mit integrierter 
Batterieüberwachung.

El-Cheapo-Tricklösung: sind in der angeschlossenen Schaltung ggf. 
Komponenten übrig, die man für die Batterieüberwachung einspannen 
könnte, ggf. durch Verzicht auf das letzte bisschen Batteriekapazität?

[W. S. (tiny_smu)]

Hallo Marcus,
das Datenblatt ist wirklich seltsam. Manche applications legen VINA mit 
den anderen controls auf VIN (control module on; Enable on; power safe 
off) und andere legen VINA und die controls auf GND, über dein genannten 
bypass capacitor.
Wird dadurch der Under voltage lockout threshold (1.4V-1.6V) umgangen?
Das "brain" in meiner Schaltung ist ein PIC24, mit dem ich dann auch 
vorhabe die Batteriespannung zu messen, nur möchte ich das relativ 
selten machen (low-power).
Trotzdem muss ich zur Sicherheit den LIPO beobachten, um es vor 
Unter-bzw. Überspannung zu schützen (kann gefährlich werden).

[Axel S. (a-za-z0-9)]

W. S. schrieb:

> Ich hab die Schaltung jetzt mal so angepasst.
>
> Phase 1:
> Buckboost OFF. 1.8M liegt an GND und daher paralell zu R11. Ergibt 196k
> Ersatzwiderstand. Der Spannungsteiler liefert 1.59V VINA bei 3V LIPO.

Verrechnet. Wie kann über dem kleineren Widerstand des Spannungsteilers 
mehr als die Hälfte der Spannung abfallen?

> Phase 2:
> Buckboost ON. 1.8M liegt an 3.3V und daher vernachlässigbar.

Falsch. An VINA liegen etwas um die 1.6V. Wie kann da ein Widerstand 
nach 3.3V vernachlässigbar sein?

> Da ist irgendwas verdreht?

Klar. Das hier:

Axel S. schrieb:
> <seufz> Analogschaltungen kann heutzutage anscheinend keiner mehr

Und außerdem ist da noch:

Axel S. schrieb:
> Allerdings zeigt das Blockschaltbild da einen internen Widerstand
> zwischen VIN und VINA dessen Wert nicht angegeben ist.

Dieser Widerstand liegt dem oberen der beiden 220K Widerstände parallel 
und kann nicht unberücksichtigt bleiben.

[W. S. (tiny_smu)]

Axel S. schrieb:
> W. S. schrieb:
>
>> Ich hab die Schaltung jetzt mal so angepasst.
>>
>> Phase 1:
>> Buckboost OFF. 1.8M liegt an GND und daher paralell zu R11. Ergibt 196k
>> Ersatzwiderstand. Der Spannungsteiler liefert 1.59V VINA bei 3V LIPO.
>
> Verrechnet. Wie kann über dem kleineren Widerstand des Spannungsteilers
> mehr als die Hälfte der Spannung abfallen?

Völlig richtig! Ich habe die beiden Widerstände in der Rechnung 
vertauscht. Ein Plausibilitätscheck hätte das heute morgen aufdecken 
können :)
Der Spannungsteiler liefert 1.6V VINA bei 3.39V LIPO.

>> Phase 2:
>> Buckboost ON. 1.8M liegt an 3.3V und daher vernachlässigbar.
>
> Falsch. An VINA liegen etwas um die 1.6V. Wie kann da ein Widerstand
> nach 3.3V vernachlässigbar sein?

Wieder mein Fehler. Ich habe den Widerstand von 3.3V auf 3V LIPO bezogen 
und nicht auf 1.6V VINA. Also fallen anfangs max. -1.7V über R9 ab (ca. 
1µA Rückfluss).
Wie komme ich jetzt aber auf die 2.99V Einschaltschwelle?

> Axel S. schrieb:
>> Allerdings zeigt das Blockschaltbild da einen internen Widerstand
>> zwischen VIN und VINA dessen Wert nicht angegeben ist.
>
> Dieser Widerstand liegt dem oberen der beiden 220K Widerstände parallel
> und kann nicht unberücksichtigt bleiben.

Ich habe mal datasheets ähnlicher Schaltregler von TI nach VINA 
durchforstet und den Wert 100 Ohm in einer Beschreibung gefunden, welche 
zur Stabilissierung eingesetzt wird.

[Felix A. (madifaxle)]

Ahh, Achtung! Widerstand zwischen VIN und VINA soll max. 100 Ohm sein...

Siehe Seite 11 aus dem Datenblatt des TPS63000. Gleiche Familie, aber 
mehr Power.

Einzige sinnvolle Option (die ich derzeit auf die Schnelle sehe) ist, 
den EN zu benutzen, z. B. mit einem MCP6001 und Spannungsteiler in 
Schmitttrigger-Ausführung, der statisch nur 600 nA aufnimmt.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

W. S. schrieb:
> Ich habe mal datasheets ähnlicher Schaltregler von TI nach VINA
> durchforstet und den Wert 100 Ohm in einer Beschreibung gefunden, welche
> zur Stabilissierung eingesetzt wird.

Autsch.

In dem Fall ist das nix mit VINA. Externer Komparator und dann über EN 
abschalten. Schade eigentlich. Eine Unterspannungsabschaltung braucht 
man doch recht häufig und es wäre für TI kein Aufwand gewesen, dem EN 
Eingang eine definierte Schmitt-Trigger Charakteristik zu verpassen.

[Felix A. (madifaxle)]

Wie wäre diese Lösung? Müsste nur vom uC die Akkuspannung gemessen 
werden. Könnte gehen, indem R3 zu einem Spannungsteiler wird, der für 
den Controller die Spannung skaliert.
R1 C1 sorgen für ein Einschaltfenster, innerhalb dessen der Controller 
das Signal EN_zu_uC high setzt. Auf low setzen, und die Kiste geht kurze 
Zeit später aus.
Für ein späteres Wiedereinschalten ginge dann ein Taster parallel zu M1, 
um C1 zu entladen...

[Thosch (Gast)]

Felix A. schrieb:
> Wie wäre diese Lösung? Müsste nur vom uC die Akkuspannung gemessen
> werden.

Ich halte das für keine gute Idee, ein kritisches Sicherheitsfeature 
(Entladeschluß des LiPo-Akkus) von der Software des µC abhängig zu 
machen...

Nimm einen externen Komparator mit eingebauter Referenz, der das
Enable-Signal des Reglers bedient. z.B. einen LTC1440 -> 
http://www.linear.com/product/LTC1440

Als reine Ein-/Ausschaltlogik ist was µC-gesteuertes natürlich ok, 
(damit kann man dann auch Abschalt-Timer o.ä. realisieren) aber den 
Entladeschluß würde ich schon per Hardware festlegen wollen.

[Felix A. (madifaxle)]

Spricht ja auch nichts dagegen, da einen Reset-Baustein dran zu tun. Der 
wird mit abgeschaltet und die Schaltung braucht keinen Strom mehr.

Oder einen Komparator mit Hysterese, der dann wieder einschaltet, wenn 
mehr als 3,x V anliegen. Braucht dann aber kontinuierlich etwas Strom. 
Obliegt aber dem Thread-Ersteller.

[Tester (Gast)]

VINA ist die Versorgung für den Analogteil und sollte per RC-Filter 
versorgt werden, das darf man nicht einfach wegschalten. Bei den Reglern 
darf man nur den Enable Eingang verwenden.

Ich hab dafür schon erfolgreich den MCP65R41 verwendet, das ist ein 
Komparator mit eingebauter Referenzquelle der bloß 3µA zieht.
Mit ein paar Widerständen lässt sich dem auch eine gute Hysterese 
beibringen.

[W. S. (tiny_smu)]

Thosch schrieb:
> Nimm einen externen Komparator mit eingebauter Referenz, der das
> Enable-Signal des Reglers bedient. z.B. einen LTC1440 ->
> http://www.linear.com/product/LTC1440

Danke Tosch,

ich hab da den nanopower comparator LTC1540 mit interner 
Referenzspannung von 1.182V gefunden:
http://www.linear.com/product/LTC1540

Auf Seite 7 des datasheets ist eine bsp. Rechnung für ein 
level-detector.
Demnach erhalte ich für die dortig abgebildete Schaltung folgende Werte:
R1 = 1.18M
R2 = 3M
R3 = 24k
R4 = 2,4M
Vin = 3V
Vhbin = 60mV (hysterese +-60mV)
Ob ich da jetzt wirklich ne ansteändige Hysterese hinbekommen hab, bin 
ich mir nicht zu 100% sicher...
Weiter unten gibt es noch eine low-battery Beschaltung, aber ich steig 
da nicht ganz durch.

[W. S. (tiny_smu)]

Tester schrieb:
> VINA ist die Versorgung für den Analogteil und sollte per RC-Filter
> versorgt werden, das darf man nicht einfach wegschalten. Bei den Reglern
> darf man nur den Enable Eingang verwenden.
>
> Ich hab dafür schon erfolgreich den MCP65R41 verwendet, das ist ein
> Komparator mit eingebauter Referenzquelle der bloß 3µA zieht.
> Mit ein paar Widerständen lässt sich dem auch eine gute Hysterese
> beibringen.

Kannst du deine Beschaltung bitte preisgeben?
Das Datenblatt ist ziemliche unübersichtlich.

Eben nachgeschaut, der LTC1540 ist mir eindeutig zu teuer...

[Tester (Gast)]

W. S. schrieb:
> Kannst du deine Beschaltung bitte preisgeben?

Das war für die Firma, ich hab die Unterlagen nicht hier. Sorry!

Vielleicht ist hier was dabei:
https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/3616
http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/34-07/comparators/index.html

[Jürgen H. (calor)]

Der MAX809 ist ein Spannungswächter in SOT23 oder SC70. Er ist für 
verschiedene Spannungen erhältlich. In Deinem Fall wäre wohl die 3.08V 
oder 2.93V - Version angebracht. Er zieht Deinen EN vom TPS auf Low 
solange die Eingangsspannung unter dem o.g. Wert liegt. Eigenverbrauch 
typ. 0.5µA bei 3.3V.

http://www.onsemi.com/PowerSolutions/product.do?id=MAX809

[W. S. (tiny_smu)]

Jürgen H. schrieb:
> Der MAX809 ist ein Spannungswächter in SOT23 oder SC70. Er ist für
> verschiedene Spannungen erhältlich. In Deinem Fall wäre wohl die 3.08V
> oder 2.93V - Version angebracht. Er zieht Deinen EN vom TPS auf Low
> solange die Eingangsspannung unter dem o.g. Wert liegt. Eigenverbrauch
> typ. 0.5µA bei 3.3V.
>
> http://www.onsemi.com/PowerSolutions/product.do?id=MAX809

As easy as that!
Danke dir Jürgen. Das Bauteil macht alles so viel einfacher und ist 
preislich attraktiv.
Vielen Dank auch den anderen, für die kreativen Vorschläge!
Im Anhang noch die Schaltung mit Niederspannungsschutz.

BG Schulz