(As usual - the English version of this post can be found on my personal blog. Feel free to ask questions in English, though)
Diesmal leider mit etwas mehr Verspätung als sonst - Dienstreisen fordern ihren Tribut 
Wenn man akku-betriebene Geräte entwirft, insbesondere mit LiIon-Akkus, muss man darauf achten dass Akkus nicht zu stark entladen werden. Bei Primärzellen ist das unproblematisch, das Gerät funktioniert dann einfach nicht mehr. Aber Akkus reagieren recht empfindlich darauf und können dauerhaft beschädigt werden. Meistens resultiert das in einer permanent reduzierten Kapazität (was schon schlimm genug ist), aber LiIon können bei einer zu tiefen Entladung tatsächlich in Brand geraten. Das geschieht beim anschliessenden Ladevorgang, da durch die Tiefentladung internen Kurzschlüsse entstehen. Daher müssen Llion-Akkus mit einer Schutzschaltung versehen werden, die das verhindert. Prinzipiell sind alle Einzelzellen so ausgerüstet (meisten direkt intern verbaut). Auch Akku-Packs besitzen sowas, mit Ausnahme von denen die für funkgesteuerte Modelle vorgesehen sind. Diese benötigen so hohe Ströme dass eine interne Schutzschaltung nur schwer zu implementieren wäre. Typischerweise werden die Akkus bei einer Spannung von etwa 2,5V abgeschaltet, das kann aber auch bis zu 2,3V sein. In diesen Bereichen muss man aber schon mit einer reduzierten Kapazität rechnen. Daher möchte ich für meinen Anwendungsfall die Abschalt-Spannung höher legen, bei etwa 2,9-3,0V. Das bedeutet, einen separaten Unterspannungsschutz (kurz UVLO) vorzusehen.
Leider wird die Schaltung bei einem Akku-Pack etwas komplizierter, weil ja schon abgeschaltet werden muss wenn auch nur ein einzelner Akku eine zu gringe Spannung aufweist. Schauen wir also mal wie man so eine Schaltung aufbauen kann.
Unterspannungsschutz für eine einzelne Zelle
Für eine einzelne ist das eigentlich recht einfach. Man benötigt einen Komparator, eine halbwegs genaue Spannungsreferenz und einen Leistungs-Schalttransistor (bevorzugt ein FET). Da die Schutzschaltung dauerhaft mit dem Akku verbunden ist, ist eine geringstmögliche Stromaufnahme sehr wichtig. Ja nach Beschaltung des Komparators kann man sowohl N- als auch P-Kanal-FETS verwenden. Da N-FETs für höhere Ströme einfacher verfügbar sind, wird man eher einen solchen verwenden. Es muss sich dabei um eine FET mit geringer Gate-Spannung handeln (also Logiklevel-kompatibel), da die Batteriespannung ansonsten nicht hoch genug sein könnte ihn vollständig zu schalten.
Spannungsreferenzen mit geringer Stromaufnahme sind vielfältig verfügbar (bis zu unter 1µA), und auch Komparatoren. Da aber die Spannungsreferenz nicht der Batteriespannung entsprechen wird (sie wird ja aus selbiger versorgt), benötigt man noch einen Spannungsteilen für die Batteriespannung. Dieser benötigt ebenfalls einen gewissen Strom. Allerdings kann man das auch einfacher lösen - indem man einen vorkonfigurierten Spannungsmonitor verwendet. Das sind Komparatoren mit eingebauter Referenz, die man normalerweise verwendet um die Reset-Leitung eines Mikrocontrollers zu aktivieren wenn die Versorgungsspannung zu niedrig ist. Es gibt diese Monitore in verschiedensten Ausführungen, mit einem Stromverbrauch bis unter 500nA. Perfekt! Ein gutes Beispiel ist die TPS383x-Serie von TI, aus der ich den TPS3836K33 (http://www.ti.com/product/tps3836k33) ausgesucht habe. Dieser hat eine Schwellwertspannung von 2,93V, einen Stromverbauch von nur 220nA und einen Open-Collector-Ausgang.
Unterspannungsschutz für ein Akku-Pack
Leider bleibt es nicht so einfach, wenn es sich bei dem Akku um mehrere Zellen handelt. Ja nach dem internen Aufbau gibt es (wie immer) mehrere Lösungsmöglichkeiten. Wenn der Akku-Pack aus manuell mehreren separaten einzelnen Zellen aufgebaut wird, die man einfach in Serie schaltet, kann man jede Zelle mit ihrem eigenen UVLO ausrüsten (zusätzlich zu dem der bereits intern enthalten ist). Das bedeutet man dupliziert die obige Schaltung für jede Zelle (inkl. des FET). Wenn die Zelle dann zu tief entladen wird, trennt ihre Schutzschaltung sie einfach aus dem Akku-Pack ab, und schaltet damit auch die Last ab.
Allerdings bedeutet eine solche Lösung (wie auch die für die einzelne Zelle), dass die Ladeschaltung einen Akku ohne Ausgangsspannung laden muss. Die Schutzschaltung wird nämlich erst wieder deaktiviert, wenn man eine äußere Spanung anlegt. Daher kann der Akkulader nicht feststellen, ob ein Akku vorhanden ist und in welchem Zustand er sich befindet.
Wenn also die Ladeschaltung das nicht kann, oder wenn man einen vorkonfektionierten Akku-Pack verwendet (bei dem alle Zellen bereits fest in Reihe geschaltet sind), muss man nach einer anderen Lösung suchen. In diesem Fall darf man nämlich nur die Last deaktivieren (dann mit nur einem FET) und muss den Akku-Lader direkt mit dem Akku-Pack verbinden. Das bedeutet dass man weiterhin drei Komparatoren (oder Spannungsmonitore) braucht, ihre Ausgänge aber miteinander verknüpfen muss. Das führt uns zu einem weiteren Problem.
Wenn man einen Spannungsmonitor verwendet, muss man ihn direkt mit der Zelle verbinden, damit sein Masse-Anschluss mit dem der zu überwachenden Zelle übereinstimmt. Damit ist aber auch sein Ausgang relativ zum negativen Pol der jeweiligen Zelle - und damit kann er nicht mehr den normalen Masse-Pegel erreichen. Das bedeutet man muss seinen Ausgang auf den richtigen Pegel umsetzen. Dafür kann man z.B. Optokoppler verwenden, diese benötigen aber zu viel Strom (eine LED leuchtet leider nicht wirklich bei 1mA Strom). Man kann keine Logiclevel-Umsetzer verwenden, weil sie beide Seiten den gleichen Massepegel referenzieren. Man kann den Ausgang des Spannungsmonitors mit einem Komparator auf den richtigen Level prüfen, aber genau dessen Verwendung wollte ich ja damit vermeiden.
Wenn man also offenbar ohnehin einen Komparator pro Zelle benötigt, kann man ihn auch direkt verwenden um die Zellenspanniung zu überprüfen. Das bedeutet dass man die Spannungsreferenz weiterhin gegen den negativen Pol der Zelle betreibt, und der Komparator dann die Referenzspannung und den positiven Pol der Zelle vergleicht. Damit wären wir wieder in etwa bei der Lösung vom Anfang angelangt.
Leider gibt es bei der praktischen Umsetzung wieder ein Problem, auf das ich bei der Suche nach passenden Komparatoren gestossen bin. Wenn man nach Komparatoren such die einen geringen Stromverbrauch haben und gleichzeitig mit mehr als 12V Versorgungsspannung laufen können, findet man ausschließlich solche, die keine Hysterese aufweisen. Damit sind sie für sich langsam ändernde Signale wie eine Batteriespannung ungeeignet. Das ist heir aufgrund des internen Widerstands der Zellen auch nötig. Wenn dieser bei 100mOhm liegt, und man annimmt dass eine Last von 2A anliegt, steigt die Batteriespannung um 200mV an wenn die Last abgetrennt wird. Dadurch würde die Sicherheitschaltung wieder deaktiviert und die Last wieder aktiv. Da die Spannung dann wieder fällt, fängt die Schaltung zu schwingen an.
Man kann durch Rückkopplung auf den Eingang eine Hysterese zu einem bestehenden Komparator hinzufügen. Allerdings hängt die exakte Auswahl der Widerstände von der Versorgungsspannung ab (die damit die Schaltschwelle beeinflusst), die aufgrund der battere aber nicht konstant ist. Zusätzlich würde die Beschaltung auch noch durch den Spannungsteiler für die Batteriespannung beeinflusst. Man kann das vermutlich korrekt ausrechnen, aber das wird wahrscheinlich sehr hässlich.
Glücklicherweise gibt es auch noch eine dritte Lösung: man kann die Zellenspannung in eine gegen Masse referenzierte Spannung umwandeln. Dafür benötigt man lediglich einen Differenzverstärker. Diese Schaltung verstärkt nicht, wie eine normaler OpAmp, eine gegen Masse referenzierte Spannung, sondern die Differenz zweier solcher Spannungen. Und das ist ja genau das was wir brauchen, auch wenn die Spannung selber gar nicht verstärkt werden muss (also exakt 1 sein kann). Ich habe das wieder in SPICE simuliert:
Die Simulation benutzt zwei Spannungsquellen, simuliert also eine Akku-Pack aus zwei Zellen. beide Zellen sind als sinusförmige Spannungsquellen modelliert, mit einer Ausgangsspannung zwischen 3 und 4V. Die untere zelle schwingt mit 2Hz, die obere mit 1Hz. Damit liegt die Gesamtspannung (Vbath) zwischen 6 und 8V. Wenn die Simulation läuft, sollte die Ausgangsspannung mit 1Hz zwischen 3 und 4V schwingen, und die Spannung der unteren Zelle (Vbatl) ignorieren:
Sieht gut aus! Die Konfiguration in der Simulation entspricht der, die ich auch in der finalen Schsaltung verwenden möchte. Der TLV3701 (http://www.ti.com/product/tlv3701) ist ein OpAmp mit sehr geringer Stromaufnahme (etwa 0,8µA) und bis zu 16V Versorgungsspannung. Zudem zeichnet er sich durch eine geringen Offsetspanung von 5mV und einen sehr geringen Input-Bias-Strom von nur 0,1nA aus. Letzterer ist wichtig weil ich (um eine geringen Stromaufnahme zu erreichen) sehr hochohmige Widerstände gewählt habe. Ein Bias-Strom von 0,1nA bedeutet nun bei einem Widerstand von 2MOhm einen zusätzlichen Offset von nur 0,1mV. Wie oben bereits beschrieben hat der Differenzverstärker eine Verstärkung von 1, so dass sich die Offsetspannung nicht weiter erhöht.
Drei für einen
Nachdem nun alle Batteriespannungen wieder ordnungsgemäß gegen Masse referenziert sind (und dafür nur ein zusätzlicher Strom von 3,5µA benötigt wird), kann man wieder den TPS3836K33 verwenden. Allerdings müssen deren drei Ausgänge noch zu einem kombiniert werden, um mit einem FET die Last abzutrennen. Dabei sieht man den Grund, aus dem ich den TPS3836 aus der gesamten TPS3836-Familie gewählt habe: er hat Open-Collector-Ausgänge. Das erlaubt es, alle drei Ausgänge direkt miteinander zu verbinden. Das Gate des N-FET wird mit einem hochohmigen Widerstand (wieder etwa 2MOhm) nach Plus gezogen. Wenn dann einer der Spannungsmonitore aktiv wird, zieht er das Gate nach Masse, und der Ausgang wird abgeschaltet.
Damit habe ich jetzt Lösung, bei der die Last separat abgeschaltet wird, der LiIon-Lader also keine Probleme haben sollte. Letztlich verhält sich die Schaltung damit nach außen exakt wie ein normales Batterie-Paket (und kann jederzeit gegen ein solches ausgetauscht werden). Größter Unterschied: bei richtiger Behandlung ist es nie leer.
Ausblick
Würth war so freundlich mir eine der neuen Transmitter-Spulen zuzusenden. Daher wird es das nächste Mal wohl wieder eine Runde neue Messungen geben. Ich werde auch nochmal die Empfänger-Spulen hervorholen und genauer schauen wie gut sie zum EVM passen (oder ob man die Eingangskondensatoren anpassen müsste). Daher werde ich also meinen Frequenzmesser und das Oszi hervorholen.