Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Li-Ion Ladeschaltung


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von Markus B. (mbo_ap)


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Guten Morgen,

ich entwickle gerade (derweil hobbymäßig) ein Gerät welches grob 
folgendes beinhaltet:
   - 1 Schrittmotor + Treiber
   - Einige LEDs/Touchbuttons
   - Ein Microcontroller

Ich will ein Energiemanagement für dieses Gerät bauen welches die 
folgenden Anforderungen erfüllt:
   - Akku gespeißt (Akku Leistung mindestens 6Wh)
   - Ladung des Akkus via USB Ladegerät
   - Sicher im Betrieb

Um einen Akku-Betrieb zu ermöglichen entschied ich mich den Schrittmotor 
und den Treiber für geringe Spannung auszulegen, daher sind folgende 
Komponenten geplant:
   - Schrittmotor (R_coil = 2,7 Ohm, I = 1A)
   - Schrittmotortreiber TMC2300 (U_supply > 4,6V)

Im Anhang seht ihr das erste Leistungs-Konzept, ich bitte euch um 
Rückmeldung ob ich da was grundsätzlich übersehe oder besser machen kann 
bevor ich mit weiteren Detailarbeiten weitermache.

Danke schonmal! Viele Grüße
Markus

von Franko P. (sgssn)


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Hi
was bedeutet die Auslegung auf 1A? 1A als absoluten max-Wert oder als 
Mittelwert/Nennwert? Dann must du evtl die Versorgung stärker auslegen. 
Je nach Motor brauchen die temporär mehr Strom.

Gruß

von Andreas B. (bitverdreher)


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Daß Du aus USB bestenfalls 500mA ziehen kannst, weißt Du?
Auch aus USB3 ist ohne Anmeldung nicht mehr zu holen. Ausnahme 
USB-Netzteile, da gehen die 1A.
Wenn Du also ewig lange Ladezeiten vermeiden willst, würde ich bei 
diesen Strömen, die Du für Deinen Schrittmotor ziehen willst, von 
USB-laden absehen. Es sei denn, es geht hier um irgendeinen 
Kurzzeitbetrieb.
1A bei 5V sind im übrigen auch ca. 1.5A bei 3.7V.

von Markus B. (mbo_ap)


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Danke euhc beiden für die raschen Antworten!

Franko P. schrieb:
> was bedeutet die Auslegung auf 1A? 1A als absoluten max-Wert oder als
> Mittelwert/Nennwert?

1A ist Nennstrom, Peakstrom kann ggf. höher sein, wollte das aber mit 
Kondensatoren abfedern.

Andreas B. schrieb:
> Daß Du aus USB bestenfalls 500mA ziehen kannst, weißt Du?
> Auch aus USB3 ist ohne Anmeldung nicht mehr zu holen. Ausnahme
> USB-Netzteile, da gehen die 1A.

500mA sind soweit bekannt, Ladung soll mit USB Wandstecker erfolgen. Auf 
den Steckernetzteilen (zB Samsung) steht bei mir 5V/2A, ich ging davon 
aus die bringen auch die 2A(?). Der MCP73833 liefert aber ohnehin nur 1A 
Ladestrom.

Andreas B. schrieb:
> Wenn Du also ewig lange Ladezeiten vermeiden willst, würde ich bei
> diesen Strömen, die Du für Deinen Schrittmotor ziehen willst, von
> USB-laden absehen. Es sei denn, es geht hier um irgendeinen
> Kurzzeitbetrieb.

Korrigiere mich bitte wenn ich da was komplett falsch verstehe, aber 
wenn der Akku 2500mAh Energie hat, ich mit 1A lade dann sollte das Ganze 
ja innerhalb von 4h geladen sein (Wirkungsgrade ~60%)? Falls dem so ist 
kann ich damit leben.

von Andreas B. (bitverdreher)


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Markus B. schrieb:
> Korrigiere mich bitte wenn ich da was komplett falsch verstehe, aber
> wenn der Akku 2500mAh Energie hat, ich mit 1A lade dann sollte das Ganze
> ja innerhalb von 4h geladen sein (Wirkungsgrade ~60%)? Falls dem so ist
> kann ich damit leben.

Der wird dann auch in 3h fast voll sein. Nur, hast Du bei 1A 
Stromverbrauch und 5V vielleicht 1.5h Betrieb bei neuem Akku. Wenn Dir 
das reicht....

von Markus B. (mbo_ap)


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Ahhh, so hast du das gemeint, nein das reicht, die 1A werden nicht 
dauerhaft gezogen, vielleicht alle 5s-10s für 1s.

von MaWin (Gast)


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Markus B. schrieb:
> ich bitte euch um Rückmeldung ob ich da was grundsätzlich übersehe

Ein Linearregler macht aus einer leeren LiIon (2.8V) keine 3.3V, 
schliesse den uC direkt an den Akku an.

Ein 2.7V/1A Schrittmotor braucht das 1Arms an jeder Phase, also 1.4Apeak 
(was der Treiber schafft). Auch wenn der TMC2300 ein Chopper-Treiber 
ist, bringen die ca. 0.825V Verlust ihn auf fast 100% Einschaltdauer, 
man braucht also auch 2A aus der Quelle, nicht nur 1A. Da den Motor (für 
volles Drehmoment) 2.7V*1.4+0.825=4.6V braucht, kann man den step up 
leider nicht entfallen lassen. Bei etwas geringeren Anforderungen wäre 
das jedoch möglich.

Bleiben die LEDs: CAT4002 o.ä. regeln den Strom auf gleichbleibende 
Helligkeit aus der absinkenden Akkuspannung auch ohne Sannungsregler.

von Markus B. (mbo_ap)


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@Mawin: Super, Vielen Danke für die hilfreichen Ratschläge. Vorallem die 
Info den Linearregler einfach wegzulassen ist spitze, habe das nicht 
gesehen!

Auch mit den 2A hast du natürlich recht. So wie ich das sehe schafft der 
LTC3872 auch die 2A.


Eventuell stellt sich nach weiteren Tests heraus, dass die Anforderungen 
bzgl. Drehmoment heruntereschraubt werden können. Ich habe einen 
Testaufbau laufen wo ich ermittelte, dass 0,4Nm (inkl. Getriebereibung) 
an der Last benötigt werden, zwischen Motor und Abtriebswelle ist ein 
Getriebe 1:3,5. Entsprechend brauche ich ein Motormoment von mindestens 
0,12 Nm. Der Motor dreht mit einer eher langsamen Geschwindigkeit von 
ca. 60rpm und arbeitet mit 1/16 µStepping.

von Andreas B. (bitverdreher)


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MaWin schrieb:
> Ein Linearregler macht aus einer leeren LiIon (2.8V) keine 3.3V,
> schliesse den uC direkt an den Akku an.

Dann hat er aber auch das Problem, daß es dann für die Ansteuerung des 
TMC nicht reicht. Ich würde für den uC eine gut gesiebte Betriebspannung 
des TMC abzweigen.
Oder den LiIon nicht so weit entladen. Unter 3.5V kommt sowieso nicht 
mehr viel.

von Markus B. (mbo_ap)


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Andreas B. schrieb:
> Dann hat er aber auch das Problem, daß es dann für die Ansteuerung des
> TMC nicht reicht.

Ich habe einen Blick ins Datenblatt dazu geworfen. Dort schreibt 
Trinamic min. 2V für I/O Supply voltage (siehe Bild). Oder siehst du 
Probleme das es während des Entladezyklus schwankt bzw. weniger wird?

von Andreas B. (bitverdreher)


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Markus B. schrieb:
> Oder siehst du
> Probleme das es während des Entladezyklus schwankt bzw. weniger wird?

Ja, das ist wie bei fast allen Digital I/Os: 0.7*Vio wird sicher als 
high erkannt. Das ist immer abhängig von der Betriebsspannung.
Umgekehrt gilt das auch: Max Input ist fast immer Vcc+0.3V

Gerade gesehen: Vio ist frei wählbar. Da gibt es einen extra Pin dazu.
Also kein Problem, wenn Du den auf 3V3 legst.

: Bearbeitet durch User
von H. B. (communicator9)


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Ich würde mir trotzdem aus der Akkuspannung mit einem Buck/Boost eine 
stabile 3,3V Spannung erzeugen.
Wer weiss ob du nicht noch Schnittstellen anschliessen möchtest, oder 
mit dem AD-Wandler messen, usw. da ist dann eine stabile 
Betriebsspannung hilfreich.

Als Charger wäre der MCP73871 besser geeignet, da hast du die 
Akku-Umschaltung im Power Path schon mit drinn.

Wie willst du die Fuel-Gauge auslesen?

von Markus B. (mbo_ap)


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H. B. schrieb:
> Ich würde mir trotzdem aus der Akkuspannung mit einem Buck/Boost eine
> stabile 3,3V Spannung erzeugen.
> Wer weiss ob du nicht noch Schnittstellen anschliessen möchtest, oder
> mit dem AD-Wandler messen, usw. da ist dann eine stabile
> Betriebsspannung hilfreich.
A/D Wandler soll in der tat rauf (Fuel Gauge), hätte das aber mit der 
internen Wandler Referenz betrieben, sollte für die 
Genauigkeitsansprüche reichen.

> Als Charger wäre der MCP73871 besser geeignet, da hast du die
> Akku-Umschaltung im Power Path schon mit drinn.
Hab mir den IC gerade angesehen, ist etwas teurer aber der Aufwand für 
die externe Beschaltung wäre in der tat geringer - Danke für den 
Hinweiß. Woraus ich aber aus dem Datenblatt nicht schlau werde ist, 
wieviel Strom ich am Load Ausgang ziehen kann? Hab dazu nur diese Info 
gefunden:
1
[...] The  recommended  systemload  should  be  the  lesser  of  1.0  amperes  or  the maximum discharge rate of the selected Lithium-Ioncell. [...] The ideal diode between VBAT and OUT is designed todrive a maximum current up to 2A. The built-in thermalshutdown protection may turn the MCP73871 deviceoff with high current [...]
Aus Kapitel 6.1.1.7 
https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/MCP73871-Data-Sheet-20002090E.pdf

Wie versteht ihr das? 1A, 2A oder Akku Discharge Spec?

> Wie willst du die Fuel-Gauge auslesen?
Fürs erste Spannungsmessung mit Spannungsteiler gegen Ground plus 
Strommessung über Shunt und Diff-ADC.
Ich werde damit experimentieren, evtl. reicht am Ende des Tages auch nur 
die Spannungsmessnug aus.

von H. B. (communicator9)


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Markus B. schrieb:
> H. B. schrieb:
>> Ich würde mir trotzdem aus der Akkuspannung mit einem Buck/Boost eine
>> stabile 3,3V Spannung erzeugen.
>> Wer weiss ob du nicht noch Schnittstellen anschliessen möchtest, oder
>> mit dem AD-Wandler messen, usw. da ist dann eine stabile
>> Betriebsspannung hilfreich.
> A/D Wandler soll in der tat rauf (Fuel Gauge), hätte das aber mit der
> internen Wandler Referenz betrieben, sollte für die
> Genauigkeitsansprüche reichen.

Naja ist ja nicht nur der AD-Wandler.
Du willst ja auch ein Display ansteuern, da solltest du erst mal checken 
was das für eine Versorgung braucht und was für Pegel zur Ansteuerung.
Gibts zwar Displays die bis 1,8V runter arbeiten, aber wenn du dir eine 
stabile 3,3V aus dem Akku erzeugst dann hast du wesentlich mehr 
Auswahloptionen.

>
>> Als Charger wäre der MCP73871 besser geeignet, da hast du die
>> Akku-Umschaltung im Power Path schon mit drinn.
> Hab mir den IC gerade angesehen, ist etwas teurer aber der Aufwand für
> die externe Beschaltung wäre in der tat geringer - Danke für den
> Hinweiß. Woraus ich aber aus dem Datenblatt nicht schlau werde ist,
> wieviel Strom ich am Load Ausgang ziehen kann? Hab dazu nur diese Info
> gefunden:
>
>
1
[...] The  recommended  systemload  should  be  the  lesser  of 
2
> 1.0  amperes  or  the maximum discharge rate of the selected 
3
> Lithium-Ioncell. [...] The ideal diode between VBAT and OUT is designed 
4
> todrive a maximum current up to 2A. The built-in thermalshutdown 
5
> protection may turn the MCP73871 deviceoff with high current 
6
> [...]
> Aus Kapitel 6.1.1.7
> 
https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/MCP73871-Data-Sheet-20002090E.pdf
>
> Wie versteht ihr das? 1A, 2A oder Akku Discharge Spec?
>
Ist schon ne ziemlich zweideutige Beschreibung.
Ich würde davon ausgehen dass der Ausgang bis zu 2A kann.
Du solltest halt das Thermal Pad unter dem IC mit Vias auf einen GND 
Layer legen, damit sich die Wärme darüber abführt/verteilt.

>> Wie willst du die Fuel-Gauge auslesen?
> Fürs erste Spannungsmessung mit Spannungsteiler gegen Ground plus
> Strommessung über Shunt und Diff-ADC.
> Ich werde damit experimentieren, evtl. reicht am Ende des Tages auch nur
> die Spannungsmessnug aus.

Besser du verwendest ein Fuel Gauge IC.
Damit wird die Ladezustandsüberwachung wesentlich einfacher und genauer.
Sowas selber zu programmieren (auch wenn du Spannung und Strom misst) 
ist recht schwierig, weil das ganze von vielen Faktoren abhängig ist.
https://www.mouser.com/pdfDocs/HowtoQuickly.pdf

von H. B. (communicator9)


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Wenn du höhere Ströme brauchst, solltest du dir mal den MAX77751 
anschauen.
Damit könntest du auch über USB C laden.

von Markus B. (mbo_ap)


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Danke für den Tip mit dem MAX77751, werde aber mal zum Testen mit dem 
MCP73833+Load Switch ins rennen gehen und mir da das Eval Board 
beschaffen.

Der MAX77751 ist mir für die Anwendung zu teuer und der MCP73871 kann 
wohl wirklich nicht genug Strom an die Last liefern -> hab hierzu im 
Datenblatt des Eval Boards 1,5 A gefunden. Weiter oben hat ja MaWin mich 
hingewiesen, dass ich mit 2A rechnen muss.

Die Fuel Gauge von Maxim (MAX17303) setzte ich ein, klingt vernünftig.

von MaWin (Gast)


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H. B. schrieb:
> Besser du verwendest ein Fuel Gauge IC.

Bei LiIon ? Das macht keiner.

von Markus B. (mbo_ap)


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MaWin schrieb:
> H. B. schrieb:
>> Besser du verwendest ein Fuel Gauge IC.
>
> Bei LiIon ? Das macht keiner.

Wie im vorherigen Beitrag geschreiben wollte ich die jetzt auch 
einsetzen, den Hauptvorteil den ich dabei sah war dass die Fuel Gauge 
von Maxim bereits eine Schutzschaltung mitintegriert hat, würde mir die 
dann sparen.

Was wäre dein Zugang MaWin? Direkte Spannungsmessung via Tpannungsteiler 
und separate Schutzschaltung?

von H. B. (communicator9)


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MaWin schrieb:
> H. B. schrieb:
>> Besser du verwendest ein Fuel Gauge IC.
>
> Bei LiIon ? Das macht keiner.

Wie willst du das denn sonst vernünftig machen?

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