Hallo, ich habe ein Problem mit dem Versorgungskonzept eines Datenloggers (Ziel hier ist die Stromaufnahme so gering wie möglich zu halten). So siehts aus: - Microcontroller (2.7...4.1V) und externes SPI Flash (3.0 ... 3.6V) - Versorgung über LiPo Akku (3 ... 4.1V) - Flash wird über einen 3.6V LDO mit Enable angebunden, uC ist direkt am Akku. Momentan wird bei Flashzugriffen der LDO aktiviert. Nun zeigt sich folgendes Problem: bei vollem Akku (4.1V) ist das Flash zwar "eigentlich" korrekt über den LDO versorgt, jedoch scheint über die SPI Anbindung vom uC die Spannung nach oben gezogen (> 3.6V) zu werden. Konsequenz: Flash lässt sich z.B. nicht mehr löschen (vermutlich Charge Pump Bedingung). Einen dauerhaft betriebenen zentralen Spannungsregler für uC und Flash möchte ich aufgrund der erhöhten Stromaufnahme vermeiden. Der Gedanke war jetzt, dass der uC vor jedem Flashzugriff einen Spannungsregler aktiviert, um für die Dauer der Flashoperation die Systemspannung (also für sich selbst und das Flash) im korrekten Bereich zu halten und danach wieder auf die "normale" (=höhere) Akkuspannung zurück schaltet. Die Frage ist nun wie man das am einfachsten realisieren kann? Oder wäre es problemloser wenn man die Konstruktion mit Flash LDO so belässt und die Spannung der SPI Signale mit Zehnerdiode oder ähnlichem im zugelassenen Bereich hält? Für jede Anregung bin ich dankbar!
Pegelwandler zwischen µC und Flash, die die 2-4V auf 3,6 umsetzen. Und: Nicht vergessen, alle Ausgänge auf Low zu setzen wenn das Flash aus ist.
Juergen P. schrieb: > Einen dauerhaft betriebenen zentralen Spannungsregler für uC und Flash > möchte ich aufgrund der erhöhten Stromaufnahme vermeiden. Ein MCP1700 zieht 1.6uA Ruhestrom. Ist das wirklich zuviel? Den Flash kann man dann noch mit einem MosFet abschalten, wenn das notwendig ist.
Dein Ansatz erscheint mir wenig sinnvoll. Der Aufwand lohnt sich nicht, zuviel Zirkus. Besser den uC öfters auf kleine Taktrate schalten, oder einen grösseren Akku einbauen.
Juergen P. schrieb: > Einen dauerhaft betriebenen zentralen Spannungsregler für uC und Flash > möchte ich aufgrund der erhöhten Stromaufnahme vermeiden. Es gibt Spannungsregler mit nur wenigen µA Eigenbedarf und ein Flash zieht im Power-Down auch nur wenige µA. Juergen P. schrieb: > jedoch scheint über die > SPI Anbindung vom uC die Spannung nach oben gezogen (> 3.6V) zu werden. IO-Pins an >VCC ist ne ganz schlechte Idee. Manche MCs haben 5V tolerante IOs, Speicher in der Regel aber nicht.
Andreas B. schrieb: > Den Flash kann man dann noch mit einem MosFet abschalten, wenn das > notwendig ist Wobei sich auch dann das Problem stellt, daß man den Flash über die Steuerleitungen parasitär versorgt. Außer wenn der µC sie vorher alle auf L schaltet, was aber möglicherweise nicht zur Steuerungslogik des Flash paßt. Mit den konkreten Spannungswert des H-Pegels hat das erstmal nichts zu tun. Wobei ich auch meine, daß man den Flash ruhig angeschaltet lassen kann. Wieviel kann der denn ziehen, wenn er inaktiv ist?
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Nunja, ein DC/DC Wandler hat jetzt nicht nur einen Eigenverbrauch, der wie von euch erwähnt durchaus im niedrigen uA Bereich sein kann, sondern einen Wandlungsverlust der über mehrere Wochen oder Monate signifikant zu Buche schlagen kann. Durch die Konstellation uC Direktversorgung aus Akku werden diese Verluste vermieden. Der Datenlogger ist ja zum größten Teil im Standby. Nur für die aktive Phase wird momentan der Spannungswandler verwendet und dementsprechend halten sich die Verluste in Grenzen.
Juergen P. schrieb: > Nunja, ein DC/DC Wandler hat jetzt nicht nur einen Eigenverbrauch, der > wie von euch erwähnt durchaus im niedrigen uA Bereich sein kann, sondern > einen Wandlungsverlust der über mehrere Wochen oder Monate signifikant > zu Buche schlagen kann. Durch die Konstellation uC Direktversorgung aus > Akku werden diese Verluste vermieden. Nö, ob Du jetzt 4.1V im uC vernichtest oder 3.3V in uC und 0.8V im LDO (kein DC/DC Wandler!) ist ziemlich wurscht. Der uC loggt mit 4.1V auch nicht schneller. ;-) Axel S. schrieb: > Wobei ich auch meine, daß man den Flash ruhig angeschaltet lassen kann. Sehe ich genauso. Ein S25FL064A (64Mbit) benötigt typisch 1uA im deep power down. Jetzt vergleiche diese Ströme mal mit der Eigenentladung einer Batterie.
> Nö, ob Du jetzt 4.1V im uC vernichtest oder 3.3V in uC und 0.8V im LDO >(kein DC/DC Wandler!) ist ziemlich wurscht. Der uC loggt mit 4.1V auch > nicht schneller. ;-) Schneller loggt er natürlich nicht :-) Du meinst also wenn ich einen zentralen LDO, z.B. 3.3V verwende ich von der Stromaufnahme gleich bin wie wenn ich den uC direkt mit dem Akku versorge?
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So, ich habe mal nachgeschaut ob ich nichts wesentliches bei der jetzigen Konstellation übersehen habe. Annahme: uC ist im wesentlichen im Sleep Mode. Ohne LDO: uC Sleep current (LPM3), 20degC, Vcc = 3.6V: 0.65uA uC Sleep current (LPM3), 20degC, Vcc = 4.1V: 1.2uA Worst Case Annahme, da nicht im Diagramm aufgeführt. => Max. 1.2uA Mit LDO (hier ein relativ guter von TI; LP5907): LDO Iq = 12 ... 25uA (Iout = 0mA aber Regler läuft) uC Sleep current (LPM3), 20degC, Vcc = 3.6V: 0.65uA => nom. 12.65uA; max. 25.65uA ! Also mind. 10x mehr wenn man einen LDO einsetzt der ständig läuft. Deshalb wird der uC eben direkt an den Akku geklemmt und schaltet die Peripherieversorgung zu. Soweit so gut, aber das Problem mit dem Flash ist damit weiterhin noch nicht elegant gelöst.
Juergen P. schrieb: > Du meinst also wenn ich einen zentralen LDO, z.B. 3.3V verwende ich von > der Stromaufnahme gleich bin wie wenn ich den uC direkt mit dem Akku > versorge? Ja, natürlich. Warum soll der uC bei 3.3V mehr verbrauchen als bei 4.1V? Das einzige was dazu kommt, ist der Stromverbrauch des Reglers selbst. Und der liegt (beim MCP17000) bei 1.6uA. Warum Du jetzt den LP5907 aus der Kiste holst, der das 8-fache vom MCP1700 verbraucht, weiß ich jetzt allerdings nicht. Abschalten lohnt nicht. Wie soll der uC dann laufen? Nochmal: Wieviel Laufzeit der Batterie entsprechen <10uA? Du bist dabei in der Größenordnung der Selbstentladung. Diese beträgt bei LiIon Akkus übrigens ca. 3% im Monat. Diese 10uA entsprechen etwa 8mAh im Monat. Das ist etwa der Selbstentladung einer 300mAh Batterie.
Juergen P. schrieb: > Mit LDO (hier ein relativ guter von TI; LP5907): > LDO Iq = 12 ... 25uA Das ist aber sehr "relativ". Es gibt wesentlich bessere LDO. Im Bereich um 1µA hast du breite Auswahl (MCP1700, XC6206, TPS782xx, ...) Und mit ~3µA im Sleep (je 1 µA für LDO, µC, Flash) bist du weit im grünen Bereich. Nicht nur daß das weniger als die Selbstentladung deines Akkus sein dürfte, so ein Datenlogger ist ja nur dann zu etwas nütze, wenn er hin und wieder aufwacht und etwas tut. Man müßte also noch den mittleren Verbrauch für den aktiven Zustand betrachten.
Andreas B. schrieb: > Diese beträgt bei LiIon Akkus übrigens ca. 3% im Monat. Seit wann? Oder unter welchen Umständen? Wenn der Akku kaputt ist? Bei 85°C? Ich hab LiIons und LiPos, die etliche Monate im Regal liegen, und die ändern ihre Spannung ganz knapp in der zweiten Nachkommastelle. Da die Spannung ja angeblich ein Maß für den Ladestand ist (zumindest ungefähr), müssten die ja "rapide" fallen. Sind meine kaputt??? Und da hier so oft auf der Selbstentladung rumgeritten wird: Andreas B. schrieb: > Du bist dabei > in der Größenordnung der Selbstentladung. Bedeutet: die Batterielebensdauer halbiert sich gegenüber der Nichtnutzung. Denn die Selbstentladung bleibt ja, die ist trotzdem da. Viele Leute nehmen an, "10µA entsprechen der Selbstentladung" bedeutet "ich kann bis zu 10µA entnehmen, ohne das die Lebensdauer leidet", das ist aber falsch. Wenn die SE z.B. 10µA entspricht und die Batterie damit 1 Jahr hält, bevor sie leer ist (und evtl. sogar ausläuft) und ich füge 10µA echte Last hinzu, dann hält sie nur noch 6 Monate, denn technisch entnehme ich jetzt den doppelten Strom. Von daher macht das schon Sinn, die Selbstentladung deutlich zu unterbieten, andersrum kommt man aber auch nicht an den Wert der Lagerzeit ran: Selbst mit nur 1µA Last zu den 10 der Selbstentladung komme ich nur auf 10 und ein bissel Monate bis "leer". Man muss das also auch nicht übertreiben.
Axel S. schrieb: > Juergen P. schrieb: >> Mit LDO (hier ein relativ guter von TI; LP5907): >> LDO Iq = 12 ... 25uA > > Das ist aber sehr "relativ". Es gibt wesentlich bessere LDO. Im Bereich > um 1µA hast du breite Auswahl (MCP1700, XC6206, TPS782xx, ...) > Ich habe den LP5907 bisher als Versorgung für das Flash, deshalb habe ich den in meiner Betrachtung als Basis genommen. Es scheint wohl dass die Shutdown/Enable Logik mehr Strom benötigt als bei einem LDO der keine hat (MCP1700).
Jens M. schrieb: > Andreas B. schrieb: >> Diese beträgt bei LiIon Akkus übrigens ca. 3% im Monat. > > Seit wann? Oder unter welchen Umständen? Wenn der Akku kaputt ist? Bei > 85°C? > Ich hab LiIons und LiPos, die etliche Monate im Regal liegen, und die > ändern ihre Spannung ganz knapp in der zweiten Nachkommastelle. > Da die Spannung ja angeblich ein Maß für den Ladestand ist (zumindest > ungefähr), müssten die ja "rapide" fallen. Sind meine kaputt??? Der Punkt den man gerne mal übersieht ist die Schutzelektronik der LiPo Zellen. Das kann in der Tat gerne mal im Bereich von dem liegen was Andreas schreibt, vor allem bei kleineren Zellen und je nach Qualität der verbauten Komponenten.
Jens M. schrieb: > Andreas B. schrieb: >> Diese beträgt bei LiIon Akkus übrigens ca. 3% im Monat. > > Seit wann? Oder unter welchen Umständen? Wenn der Akku kaputt ist? Bei > 85°C? https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator unter Lagerung/Selbstentladung (20°C) Jens M. schrieb: > Bedeutet: die Batterielebensdauer halbiert sich gegenüber der > Nichtnutzung. Nö, das gilt nur bei dem von mir ins Spiel gebrachten Mini 300mA Akku und den auf 10uA hochgerechneten Verbrauch. Also wirf bitte nicht anderen vor, es nicht zu verstehen. Bei einer 2000mA LiIon sieht das Verhältnis schon ganz anders aus. Das ist die Größe die ich normalerweise für solche Projekte verwende. Davon abgesehen besteht auch die Möglichkeit, mit Solarzellen nachzuladen, wenn man ohne manuelles nachladen und kleineren Akku auskommen will. Das mache ich z.B. hier mit einer ESP Wetterstation und einer 68x41mm Solarzelle. Jens M. schrieb: > Man muss das also auch nicht übertreiben. Eben. Dazu gehört auch mal drüber nachzudenken was man genau will anstatt nur die Bedingung aufzustellen: Möglichst wenig. Und die Option mit dem Abschalten des Flashs via MosFet im Extremfall wurde ja schon genannt. Also ist da mehr über dieses Projekt gefragt.
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Juergen P. schrieb: > Ich habe den LP5907 bisher als Versorgung für das Flash Daß das nicht funktioniert, hast Du doch schon festgestellt. Entweder Du regelst den MC auf die gleiche Spannung oder Du brauchst Pegelwandler.
Peter D. schrieb: > Juergen P. schrieb: >> Ich habe den LP5907 bisher als Versorgung für das Flash > > Daß das nicht funktioniert, hast Du doch schon festgestellt. > Entweder Du regelst den MC auf die gleiche Spannung oder Du brauchst > Pegelwandler. Ja, so sieht's aus. Danke für die Denkanstöße, auch den anderen hier!
Jens M. schrieb: > da hier so oft auf der Selbstentladung rumgeritten wird: > Andreas B. schrieb: >> Du bist dabei >> in der Größenordnung der Selbstentladung. > > Bedeutet: die Batterielebensdauer halbiert sich gegenüber der > Nichtnutzung. Aber nur für den unrealistischen Fall, daß die Schaltung gar nichts tut, außer zu schlafen, bis der Akku leer ist. Für eine realistische Betrachtung muß man den Strom im aktiven Zustand mit ansehen. Und dann kann man den Energiebedarf für "aktiv" und für "schlafend" gegenüberstellen. Bei einer solchen ultra-low-power Anwendung würde ich alles bis 10% für den Schlafzustand als OK ansehen. Juergen P. schrieb: > Axel S. schrieb: >> Es gibt wesentlich bessere LDO. Im Bereich >> um 1µA hast du breite Auswahl (MCP1700, XC6206, TPS782xx, ...) > > Ich habe den LP5907 bisher als Versorgung für das Flash, deshalb habe > ich den in meiner Betrachtung als Basis genommen. Es scheint wohl dass > die Shutdown/Enable Logik mehr Strom benötigt als bei einem LDO der > keine hat (MCP1700). Der TPS782 widerlegt diese Ansicht. Der hat nämlich einen Shutdown Pin und braucht trotzdem nur 500nA aktiv bzw. 18nA im Shutdown (beides typische Werte aus dem Datenblatt).
Andreas B. schrieb: > https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator > unter Lagerung/Selbstentladung (20°C) Erstaunlich. Mag sein das es so schlechte Teile gibt, ich hab keinen davon. Und auch noch nie gesehen. Andreas B. schrieb: > Nö, das gilt nur bei dem von mir ins Spiel gebrachten Mini 300mA Akku > und den auf 10uA hochgerechneten Verbrauch. Also wirf bitte nicht > anderen vor, es nicht zu verstehen. Nö, das gilt unabhängig der Größe. Wenn du Zeit x mit Strom y bei Akkukapazität z klarkommst, dann ist da eine Beziehung drin: x=z/y. Machst du y größer so wird x proportional kleiner, bei einer Verdoppelung des Stroms halbiert sich die Zeit. Ob von 3 Tagen auf 1,5 Tage oder 3 Jahre auf 1,5 Jahre ist technisch das gleiche Ergebnis. Axel S. schrieb: > Aber nur für den unrealistischen Fall, daß die Schaltung gar nichts tut, > außer zu schlafen, bis der Akku leer ist. Für eine realistische > Betrachtung muß man den Strom im aktiven Zustand mit ansehen. Wenn man den Strom für die Aktivphase ausmittelt, kann man da auch noch so manche Überraschung erleben. Da hilft es dann u.U. extremer, statt jede Minute nur alle 5 Minuten zu senden. Wenn jedoch der Großteil der Energie verschlafen wird, muss man eben auch danach kucken.
Jens M. schrieb: > Wenn du Zeit x mit Strom y bei Akkukapazität z klarkommst, dann ist da > eine Beziehung drin: x=z/y. Schön, daß Du das verstehst. Und damit sind bei einem größeren Akku die 10uA irrelevant. Jens M. schrieb: > Wenn man den Strom für die Aktivphase ausmittelt, kann man da auch noch > so manche Überraschung erleben. > Da hilft es dann u.U. extremer, statt jede Minute nur alle 5 Minuten zu > senden. Stimmt, daher auch die Frage nach dem speziellen Projekt. (Obwohl hier von Senden noch nicht die Rede war)
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Andreas B. schrieb: > Und damit sind bei einem größeren Akku die > 10uA irrelevant. Es ging um die Größenordnung der Selbstentladung. Wenn der Nutz-Strom eine Größe hat die der Selbstentladung ähnelt, dann halbiert der Verbraucher die Lebensdauer der Batterie, denn xA Nutz und xA Selbstentladung sind 2x, und wenn 1x 1 Jahr hält kann 2x nur 6 Monate schaffen. Da ist völlig irrelevant wie groß der Akku ist. Andreas B. schrieb: > Stimmt, daher auch die Frage nach dem speziellen Projekt. (Obwohl hier > von Senden noch nicht die Rede war) Ja, senden, loggen, whatever. Das Ding wird ja nicht immer schlafen, dann könnte es ohne Batterien im Schrank liegen. Sagen wir "Aktivitätsphase".
Mit dem richtigen Akku, einem genauen Ladegerät und gutem Flash braucht garnichts weiter. Die Akkuspannung kann immer unter 3.4 bis 3.5 Volt bleiben: https://www.powerstream.com/lithium-phosphate-charge-voltage.htm Die Frage ist noch, ob man das Flash abschalten will. Mit einem einzelnen IS25LP256E würde ich wohl drauf verzichten, der braucht typ. 7.5uA im Sleep. Ansonsten könnte man ein 4-fach OR-Gate als Pegelwandler nehmen. Dessen Versorgung würde man zusammen mit dem Flash über einen Transistor abschalten. Kurz vorher würde man alle Ausgänge auf High schalten (deshalb ein OR-Gate). Der Flash-Baustein ist dann inaktiv und merkt keinen Unterschied zum normalen Abschalten der Spannung. Die Eingänge des 74AHC32 sind mit max. 1uA@85°C unabhängig von der Versorgung spezifiziert. Wenn das noch zuviel ist, kann man die auch noch mit 0 ansteuern - aber erst, nachdem die Flash-Versorgung weg ist. Vom 74LVC32A heißt es nur "der kann das auch", aber ohne Daten. Dafür ist er doppelt so schnell wie der AHC. Als VCC-Schalter würde ich einen BC807 nehmen. Der begrenzt den Strom beim Einschalten der Entkoppel-Cs besser als ein MOSFET und hat einen kleineren Leckstrom.
Jens M. schrieb: > Es ging um die Größenordnung der Selbstentladung. > Wenn der Nutz-Strom eine Größe hat die der Selbstentladung ähnelt OK, dann haben wir aneinander vorbei geredet. Mir ging es um den Sinn des unbegrenzten heruntertreibens des Stromverbrauches und um das Verhältnis zur gegebenen Selbstentladung. Bauform B. schrieb: > Die Frage ist noch, ob man das Flash abschalten will. Mit einem > einzelnen IS25LP256E würde ich wohl drauf verzichten, der braucht typ. > 7.5uA im Sleep. Das wäre schon viel. Ich hatte bereits den S25FL064A mit 1uA typisch genannt. (OK, max. hat er auch 10uA). Abschalten lohnt sich da nur bei einem Mini Akku. Und wenn das Ding möglichst klein sein soll, würde ich auch eher eine LiThionylchlorid Batterie einsetzen. Die gibt es auch mit max. 3.6V.
Andreas B. schrieb: > Und wenn das Ding möglichst klein sein soll, würde ich auch eher eine > LiThionylchlorid Batterie einsetzen. Die gibt es auch mit max. 3.6V. Die perfekte Batterie, wenn man nur wenig Strom braucht, z.B. für eine RTC. Wenn der Logger in den Wachphasen doch mehr braucht, würden die leider ziemlich groß und teuer. Aber dafür hält so eine dann länger als ein Akku oder Supercap. Man kann nicht alles auf einmal haben...
Bauform B. schrieb: > Wenn der Logger in den Wachphasen doch mehr braucht, würden die > leider ziemlich groß und teuer. Ganz so schlimm sind die Thionylchlorid Batterien auch wieder nicht. Gerade mal geschaut: Eine Taidiran SL-550 (1/2 AA, 0.9AH) kann 50mA als Dauerentladestrom ab.
Andreas B. schrieb: > Eine Taidiran SL-550 (1/2 AA, 0.9AH) Mich musst du nicht überzeugen. Bei jeder neuen Platine schaue ich mir Supercaps und Akkus an und baue dann doch wieder genau diese Batterie ein. Oder die SL-350 :)
Juergen P. schrieb: > Ja, so sieht's aus. Danke für die Denkanstöße, auch den anderen hier! Und den Flash über eine Diode(0.6V Spannungsabfall) oder Schottky(0.3V Spannungsabfall) mit einem Pin des MC nach dessen Aufwachen speisen?
Hans schrieb: > Und den Flash über eine Diode(0.6V Spannungsabfall) oder Schottky(0.3V > Spannungsabfall) mit einem Pin des MC nach dessen Aufwachen speisen? Beim Schreiben oder Löschen braucht so ein Flash mindestens 30mA, manche brauchen 100mA. Aber man könnte deiner Diode ein wenig Stromverstärkung spendieren ;) Also statt Diode einen BC817 als Emitterfolger an die Hochspannung und die Basis an den Pin.
Allenfalls mal Spannungsregler wie https://www.ti.com/power-management/non-isolated-dc-dc-switching-regulators/overview.html anschauen.. hier zwei Beispiele TPS62840 60-nA IQ, 1.8-V to 6.5-VIN, high-efficiency 750-mA step-down converter TPS61099 0.7-VIN synchronous boost converter with 800-nA ultra-low quiescent current Das erste Beispiel ist nicht grad der Hammer, man muss die Zahlen genau vergleichen. Es gibt bessere. Und die wollen diese Teile auch tatsaechlich verkaufen
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Nachdem ich folgendes Video gesehen habe denke ich jetzt auch - wie andere hier bereits vorgeschlagen haben - dass eine Spannungsregelung für das Gesamtsystem mehr Sinn macht. Einerseits wäre das Flash Problem gelöst, andererseits die Stromaufnahme des Controllers noch weiter reduziert (ist ein MSP430). https://training.ti.com/driving-msp430-low-power-even-lower Nachdem es DC/DC Buck Regler gibt die mit LDOs mithalten können wirds wohl so einer werden. Danke allen für die Vorschläge!
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