Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Korrekte LIPO-Ladeschaltung?


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von W. S. (tiny_smu)


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Guten "Abend" liebe Gemeinde,

mein Ziel ist, meine Schaltung mit einer LIPO Batterie (eine Zelle) zu 
betreiben.
Wie Ihr dem Ausschnitt der Schaltung entnehmen könnt, nutze ich den 
MCP73831 um den LIPO auf 4.2V zu laden und einen TPS63031 um das ganze 
auf 3.3V zu bringen (max 500mA out).

Die LIPO-Zelle besitzt zwar selbst ein Protection-CB, jedoch möchte ich 
aus meiner Sicht, den LIPO ab einer Spannung von ca. 3V vom Netz nehmen.
Dazu nutze ich den MAX809-voltage-monitor und schalte ab einer Vth von 
3.08V den N-Kanal-Mosfet ab, womit der LIPO vom Netz sein sollte.

Ist das so einfach wie ich mir das vorstelle oder sollte ich in der 
Schaltung noch etwas berücksichtigen?

PS: Am VBAT_O-Netz hängt noch ein LCD-Backlight-Treiber (AP5724), 
welcher aus Effizienzgründen nicht von den 3.3V gespeist werden, sondern 
von 3V-4.2V.

: Bearbeitet durch User
von MaWin (Gast)


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W. S. schrieb:
> Ist das so einfach wie ich mir das vorstelle

Der LiIon wird über die Body-Diode des MOSFETs trotzdem entladen wenn du 
abschaltest, weil dann sein Minupol viel negativer ist als Masse der 
Schaltung (die dann identisch wäre mit VBAT_O).

Wenn das Akkupack schon einen Tiefentladeschutz hat: Lass den MAX809 
weg.

von W. S. (tiny_smu)


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Ich habe oft gelesen das man diesen Protection-Circuits lieber nicht 
trauen sollte und sich selbst um die Protection sorgen solle.
Die meisten Hersteller geben einen cut-off-voltage von 2.5V an, welcher 
definitiv zu nieder ist. Den asiatischen LIPO den ich in den Händen 
halte geben sie zwar mit 3V an, dem kann ich aber irgendwie nicht 
trauen. Die schummeln ja auch schon oft bei der mAh-Angabe.

Dem Diagramm aus dem Datenblatt kann ich die Ströme im sehr kleinen 
mV-Bereich leider nicht entnehmen (100mA bei 660mV [25°C]).
Wie wird solch ein cut-off ansonsten professionell gehandhabt?

Nebenbei, wäre es auch sinnvoll einen pull-down-Widerstand am 
nRES-Ausgang des MAX809 anzubringen, um ein Abschalten zu garantieren?

von MaWin (Gast)


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W. S. schrieb:
> Ich habe oft gelesen das man diesen Protection-Circuits lieber nicht
> trauen sollte

Ich hab auch oft gelesen, daß ein Alien auf Area51 lebt.

von Frank S. (franksanderdo)


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Moin

MaWin:
Ich steh gerade auf dem Schlauch:
Wieso ist die Masse der Schaltung gleich VBAT_O wenn der MOSFET aus ist?

W.S.
Kann es sein das Du den MOSFET weglassen kannst indem Du mit dem MAX809 
die EN Eingänge des TPS63031 und des AP5724 zum Abschalten nutzt?

Grüße
Frank

: Bearbeitet durch User
von MaWin (Gast)


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Frank S. schrieb:
> Wieso ist die Masse der Schaltung gleich VBAT_O wenn der MOSFET aus ist?

Weil du ja ausschalten willst, dann ist die Versorgungsspannung immer 
0V, weil du ja den Stromfluss abklemmst sackt die Spannung durch die 
Last auf 0.

(in der Realität wird sie nicht ausgeschaltet wegen dem 
Body-Diodenproblem).

von Frank S. (franksanderdo)


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MaWin schrieb:
> Weil du ja ausschalten willst, dann ist die Versorgungsspannung immer
> 0V, weil du ja den Stromfluss abklemmst sackt die Spannung durch die
> Last auf 0.
>
> (in der Realität wird sie nicht ausgeschaltet wegen dem
> Body-Diodenproblem).

Ist nen Argument...
Wie machen das die eingebauten Schutzbeschaltungen?

Grüße
Frank

von W. Schulz (Gast)


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> W.S.
> Kann es sein das Du den MOSFET weglassen kannst indem Du mit dem MAX809
> die EN Eingänge des TPS63031 und des AP5724 zum Abschalten nutzt?

Hallo Frank,
Da hast du recht, genau solch ein Setup habe ich bisher betrieben, 
jedoch ist mir unwohl das der LIPO ständig entladen wird. Deshalb suche 
ich nach einer Möglichkeit den LIPO ausser Betrieb zu nehmen sobald er 
die 3V passiert hat.

von Frank S. (franksanderdo)


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Moin W.S.

Bin gerade bei Maxim am lesen wie das die Schutzbeschallungen in den 
Akkus machen
Die haben die MosFets in der + Leitung jeweils einen für Überspannung 
und einen für unterspannung...
Das blöde ist das es für die High Side FETs eine Charge Pump braucht...

Will sagen das Du evtl. den Max809 gegen so ein Überwachung IC tauschen 
solltest / musst... Beispiel DS2784 von Maxim.

Grüße
Frank

von MaWin (Gast)


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Frank S. schrieb:
> Wie machen das die eingebauten Schutzbeschaltungen?

2 antiserielle MOSFETs, siehe Datenblatt, z.B. S8231 oder so.

von MaWin (Gast)


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Frank S. schrieb:
> Das blöde ist das es für die High Side FETs eine Charge Pump braucht

Nein, braucht man nicht.

von W. S. (tiny_smu)


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Solch eine Beschaltung wie du sagst (mit z.b. S8231) ist natürlich schon 
an dem Akku vorhanden, jedoch laufen die leider immer unter 3V.

Ich hab jetzt mal versucht anhand anderer Makerboards, welche die selbe 
Problemstellung haben, deren Lösung dazu anzuschauen.

Da wäre z.B. der Arduino MKR1000:
https://www.arduino.cc/en/uploads/Main/MKR1000-schematic.pdf
Welcher einen p-Kanal MOSFET mit eingebauter Schottky-Diode einsetzt. 
Ziemlich cool!

Und auf der anderen Seite der Feather Huzzah:
https://learn.adafruit.com/system/assets/assets/000/031/354/original/adafruit_products_schem.png?1458433763
Welcher gar keine spezielle Schaltbausteine nutzt, außer der Z-Diode um 
den LIPO während des Ladevorgangs zu isolieren.

Die p-Kanal Lösung mit Schottky-Diode gefällt mir, leider verliere ich 
dadurch ca. 0.5V und hab Dauerverluste.

von Frank S. (franksanderdo)


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Moin W.S.

Die Schaltung vom MKR1000 hatte ich auch eher als Trennung des Akkus zum 
Laden verstanden.

Der MOSFET ist niederohmig wenn das Gate negativ zum Source ist.
Immer dann wenn weder VUSB noch Vin (wo immer das herkommt) anliegen ist 
das Gate auf Masse.
Die Batteriespannung geht über die Body Diode zum Source und damit ist 
VSG ungefähr -VBat.
-> MOSFET schaltet durch

Sobald VUSB oder Vin anliegen wird das Gate > Source damit ist der 
MOSFET zu.

Denke ich evtl. falsch?
Einen Unterspannungsschutz für den Akku sehe ich da noch nicht.

MaWin's Vorschlag einfach 2 von den IRLs antiseriell zu schalten müsste 
doch eigentlich in deiner Schaltung schon die Lösung sein!?

Grüße
Frank

: Bearbeitet durch User
von W. S. (tiny_smu)


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Wo ist der Denkfehler?
Nach langer Zeit habe ich nun meine Schaltung umgesetzt (Anhang).
Jedoch ist diese nicht wie erwartet ausgefallen.
Der Grundgedanke besteht aus folgenden Funktionalitäten.
1- Lipo Laden per USB [funktioniert]
2- Lipo Messen per uC [funktioniert]
3- 3.3V aus LiPo erzeugen per DCDC [funktioniert]
4- Undervoltage Protection mit Halteschaltung [funktioniert NICHT]

Jedoch hat sie mein Lipo nun auf 2.5V entladen und die externe Lipo 
UV-protection gezündet.

Simulation der uv protection + Halteschaltung:
http://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+1+0.000005+25.510281670702206+79+5+50%0Af+752+272+752+224+9+0.7+0.02%0Af+816+400+752+400+0+2.4+0.02%0Ar+816+224+816+288+0+3300000%0Ar+672+224+672+384+0+3300000%0Ag+752+480+752+512+0%0AR+464+224+416+224+0+3+40+0.6+3.6+0+0.5%0Aw+672+224+736+224+2%0Aw+768+224+816+224+2%0Aw+1024+480+752+480+0%0Aw+752+272+752+304+0%0Aw+816+288+816+400+2%0Aw+704+384+752+384+0%0AO+1024+224+1104+224+1%0Aw+816+224+1024+224+0%0Aw+752+304+752+384+2%0Aw+496+224+544+224+0%0Aw+544+224+672+224+0%0Aw+496+224+464+224+2%0AL+896+400+944+400+0+1+false+5+0%0Ar+1024+224+1024+480+0+1000000%0AL+560+384+544+384+0+0+false+3.3+0%0Ax+495+359+601+362+4+16+MONITOR_UV%0Ax+870+366+979+369+4+16+USB_CONECT%0Ar+752+480+752+416+0+100000%0Aw+704+384+672+384+0%0Aw+560+384+640+384+2%0Af+656+416+656+384+0+1.5+0.02%0Aw+816+400+816+528+0%0Aw+816+528+656+528+0%0Aw+656+528+656+416+0%0Ad+880+400+816+400+1+0.805904783%0Ao+5+64+0+4099+10+0.00009765625+0+3+5+3+12+0%0A

Laut Simulation sollte meine uv-protection bei ca. 3.08V den DCDC 
abschalten und erst per USB-plug-in wieder starten.

von Stefan F. (Gast)


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Wird die Schaltung nicht schwingen, wenn der LiPo Akku die untere 
Entlade-Schwelle erreicht?

Unter Last geht die Spannung runter, dann schaltet die "Undervoltage 
Protection" ab. Danach steigt die (Leerlauf-)Spannung am Akku aber 
wieder an. Schaltet die "Undervoltage Protection" dann wieder ein?

Wie groß ist denn die Hysterese dieser Schutzschaltung?

Stell den Schaltplan nochmal als PNG Datei rein, ich kann die 
Beschriftungen teilweise nicht lesen.

von W. S. (tiny_smu)


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Die UV-protection sollte erst wieder "öffnen" sobald 5V per USB 
gespiessen werden. Ansonsten wird der EN Pin des DCDC auf GND gezogen. 
So sollte das Schwingen verhindert werden.
1. LiPO <3.08V ---> DCDC off
2. 5V USB ---> DCDC ON

Sry JPEG war mein Fehler, nun in PNG.

von Michael B. (laberkopp)


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W. S. schrieb:
> Wo ist der Denkfehler?

Irgendwie sehe ich bei dem Transistorverhau überhaupt nicht, wie EN 
jemals auf Masse gezogen werden soll.

Bei Falstadt sind es auch nur 34mV.

von Stefan F. (Gast)


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W. S. schrieb:
> Sry JPEG war mein Fehler, nun in PNG.

Das ist genau so unscharf.
Die Transistorschaltung erschließt sich mir auf den ersten Blick auch 
nicht.

von W. S. (tiny_smu)


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Die Transistorschaltung findet ihr über falstad simuliert, sollte klar 
werden. Im Grunde stellt sie eine Halteschaltung/Kippschaltung dar 
welche erst wieder über USB aktiviert werden kann.

Michael B. schrieb:
> W. S. schrieb:
>> Wo ist der Denkfehler?
>
> Irgendwie sehe ich bei dem Transistorverhau überhaupt nicht, wie EN
> jemals auf Masse gezogen werden soll.
>
> Bei Falstadt sind es auch nur 34mV.

34mV => LOW.  Ich sehe auch das kein pull down für sichere 0V vorhanden 
sind, jedoch sollten 34mV ebenfalls keine Probleme verursachen.

PowerPart = PowerPart1 + PowerPart2

: Bearbeitet durch User
von Stefan F. (Gast)


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Ja, jetzt kann jeder Blindfisch was erkennen! So ist es besser.

Die Body-Diode von Q408 leitet immer. Warum ist dann dort ein 
Transistor?

Die Body Diode von Q407 leitet immer, wenn der Ausgang von U407 auf Low 
steht (=Batterie Ok).

Erkläre mal, wie du Dir die Funktionsweise gedacht hast.

von W. S. (tiny_smu)


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Stefanus F. schrieb:
> Ja, jetzt kann jeder Blindfisch was erkennen! So ist es besser.
>
> Die Body-Diode von Q408 leitet immer. Warum ist dann dort ein
> Transistor?
>
> Die Body Diode von Q407 leitet immer, wenn der Ausgang von U407 auf Low
> steht (=Batterie Ok).
>
> Erkläre mal, wie du Dir die Funktionsweise gedacht hast.

Ich honk hab wohl das Prinzip der Body Dioden nicht gecheckt -_-
Melde mich wieder ;)

von W. S. (tiny_smu)


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Ich hab das ganze nun ein wenig umgestaltet und "vereinfacht" hoffe ich.
(siehe falstad link unten)

In der Simu einfach mal den USB_Connect kurz verbinden und schon ist 
DCDC_EN high solange Monitor_UV low bleibt.
Geht das Monitor-UV Signal auf Low (VBat <= 3.08V) bleibt am DCDC_EN ein 
LOW Signal bis wieder das USB_Connect kurz verbunden wird.
Probleme könnten die Vgsth der ausgewählten MOSFETS bereiten, habe mit 
den Werten mal rumgespielt:
2N7002P,215 -> Vgsth 1.1V-2.4V
DMP2035U-7 -> Vgsth -0.4V- -1.0V
Den richtigen Arbeitsbereich sollte ich mit Widerständen hinbekommen, 
oder was meint ihr?


http://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+1+0.000005+9.78399845368213+79+5+50%0Af+752+272+752+224+41+1+0.02%0Ar+672+224+672+384+0+1000000%0AR+464+224+416+224+0+3+40+0.6+3.6+0+0.5%0Aw+672+224+736+224+2%0Aw+768+224+816+224+2%0Aw+816+352+816+400+2%0Aw+704+384+752+384+2%0AO+1024+224+1104+224+1%0Aw+496+224+672+224+0%0Aw+496+224+464+224+2%0AL+976+192+1024+192+0+1+false+5+0%0Ar+1024+224+1024+480+0+100000%0AL+560+384+512+384+0+0+false+3.3+0%0Ax+495+359+601+362+4+16+MONITOR_UV%0Ax+1038+195+1158+198+4+16+USB_CONNECT%0Aw+704+384+672+384+0%0Aw+560+384+640+384+2%0Af+656+416+656+384+32+2.4+0.02%0Aw+816+400+816+432+0%0Aw+816+432+656+432+0%0Aw+656+432+656+416+0%0Ag+1024+480+1024+512+0%0Af+864+336+816+336+32+2.4+0.02%0Aw+816+224+816+240+0%0Aw+864+336+864+224+2%0Ad+864+224+960+224+1+0.805904783%0Aw+1024+224+960+224+0%0Aw+960+192+960+224+0%0Aw+816+224+864+224+0%0Aw+816+240+816+320+0%0Aw+752+384+752+272+0%0Ax+1046+258+1162+261+4+24+DCDC_EN%0Ao+2+64+0+4099+10+0.00009765625+0+3+2+3+7+0%0A

: Bearbeitet durch User
von Stefan F. (Gast)


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Die Simulation taugt nichts.

Der rechte N-MOS kann so nicht funktionieren. Du hast Gate und Drain 
miteinander verbunden. Dadurch wirkt er effektiv wie eine Zenerdiode 
wirken, aber eine sehr schlechte weil die Schwellenspannung nicht klar 
definiert ist.

Was du da eigentlich brauchst ist ein S/R Flipflop. Nimm doch einfach 
ein fertiges, die kann man sicher in SMD Form für wenige Cent als 
Einzelgatter kaufen.

Dein USB Eingang ist viel zu hochohmig. Der wird schon bei einfacher 
Berührung reagieren.

von W. S. (tiny_smu)


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http://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+1+0.000005+9.78399845368213+63+5+50%0AR+464+192+416+192+0+3+40+0.6+3.6+0+0.5%0AO+912+288+992+288+1%0Aw+496+192+464+192+2%0AL+448+464+400+464+0+1+false+5+0%0Ar+912+288+912+448+0+100000%0AL+464+272+416+272+0+0+false+3.3+0%0Ax+406+244+630+247+4+16+MONITOR_UV%5Cs(%5Csif%5Cs%3C3.08V%5Cs%5Cq%3EH)%0Ax+393+444+513+447+4+16+USB_CONNECT%0Ag+912+448+912+480+0%0Ax+934+329+1050+332+4+24+DCDC_EN%0A153+704+288+784+288+0+2+3.3+3.3%0A153+704+448+784+448+0+2+0+3.3%0Aw+704+304+688+304+0%0Aw+688+304+688+336+0%0Aw+688+336+800+336+0%0Aw+800+336+800+448+0%0Aw+800+448+784+448+0%0Aw+704+432+688+432+0%0Aw+688+432+688+384+0%0Aw+688+384+816+384+0%0Aw+816+384+816+288+0%0Aw+816+288+784+288+0%0Aw+464+464+704+464+0%0Aw+464+272+704+272+0%0Aw+816+288+912+288+0%0Ax+817+278+835+281+4+24+Q%0Ax+809+457+827+460+6+24+Q%0Ar+464+272+464+352+0+100000%0Ar+464+464+464+528+0+100000%0Ag+464+528+464+544+0%0Ag+464+352+464+368+0%0Ao+0+64+0+4099+10+0.00009765625+0+3+0+3+1+0%0A


> Was du da eigentlich brauchst ist ein S/R Flipflop. Nimm doch einfach
> ein fertiges, die kann man sicher in SMD Form für wenige Cent als
> Einzelgatter kaufen.

Fertige S/R Fliplops/Latch haben meist zu viel IO's. Ich benötige nur 
einen und hab ein günstigen 2-er NOR IC gefunden. Low power und 5V 
compliant, super einfach jetzt. merci!

http://www.onsemi.com/pub/Collateral/NL27WZ02-D.PDF

> Dein USB Eingang ist viel zu hochohmig. Der wird schon bei einfacher
> Berührung reagieren.

Das sollte von der Funktionsart mit den Pulldowns passen, oder sind die 
bei logic gattern eher überflüssig? Die NOR-Gatter haben zudem interne 
Dioden soweit ich weis.

von Stefan F. (Gast)


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W. S. schrieb:

> Das sollte von der Funktionsart mit den Pulldowns passen, oder sind die
> bei logic gattern eher überflüssig? Die NOR-Gatter haben zudem interne
> Dioden soweit ich weis.

Logik Gatter in CMOS benötigen immer einen definierten Pegel an den 
Eingängen, weil sie unendlich hochohmig sind.

Die Dioden schützen vor elektrostatischer Ladung. Die sorgen nicht für 
definierte Pegel.

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