Die Stromversorgung beim TTGO T-Display
Verfasst: Mo 28. Nov 2022, 12:42
Unser TTGO lässt sich auf verschiedene Weisen mit Strom versorgen:
Achtung: Für einen Betrieb über den 5V-Anschluss des TTGO-Moduls sollte der Akku (LiPo) unbedingt entfernt werden. Wird nämlich der TTGO ohne USB-Anschluss betrieben, dann wird der Akku über den MOSFET Q5 direkt mit dem 5V-Anschluss verbunden (vgl. Abb. 1); dies könnte den Akku zerstören. Mehr dazu weiter unten...
Schauen wir uns die Spannungsversorgung beim TTGO an Hand des Schaltplans (vgl. Anhang) nun einmal genauer an!
Folgende Spannungen/Anschlüsse müssen dabei unterschieden werden:
Die “+5V”-Vorrangschaltung
Diese Schaltung befindet sich im Feld D/5-6 (vgl. Abb. 1). Sie besitzt die Eingänge VBAT und VBUS. Am “+5V”-Ausgang der Schaltung liegt die Spannung von VBUS (5 V) vor, wenn das Modul über USB angeschlossen ist; ansonsten finden wir am Ausgang der Schaltung die Spannung VBAT (je nach Ladezustand des Akkus zwischen 3,7 V und 4,2 V).
Wie funktioniert nun diese Schaltung? Wesentlicher Baustein ist hier ein MOSFET SI2305 (in der Schaltung mit Q5 bezeichnet). Genauer gesagt handelt es sich hier um einen p-Kanal-Enhancement-MOSFET. Grob vereinfacht wird hier die Strecke zwischen D(rain) und S(ource) leitend, wenn die Spannung UGS zwischen G(ate) und S eine bestimmte Schwelle (engl. threshold) Uth überschreitet; ansonsten sperrt sie. Die Schwellenspannung beträgt etwa 1 V. (In Wirklichkeit ist der Übergang fließend!). Prinzipiell arbeitet unser MOSFET also wie ein Widerstand, der durch UGS gesteuert werden kann; dabei kann dieser Widerstand prinzipiell in beide Richtungen leiten. Im Sperrzustand wirkt der MOSFET zusätzlich wie eine Diode, deren Durchlassrichtung von D nach S weist. Selbst wenn keine Spannung am Gate anliegt, fließt durch dieses Diode schon ein Strom (zum Spannungsregler im Feld D/7); dies führt erst einmal bei S zu einer Spannung von ca. VBAT minus dem Spannungsabfall an der Diode (ca. 1,2 V).
Wir betrachten nun den Fall, dass das Modul nicht an USB angeschlossen ist. Dann wird G durch einen Widerstand auf GND (Ground) gezogen. In diesem Fall ist UGS deutlich größer als Uth; deswegen wird die G-S-Strecke (gut) leitend; der Spannungsabfall zwischen G und S wird jetzt deutlich kleiner, und an dem Kontakt “+5V” liegt fast die vollständige Spannung des LiPo an.
Wenn hingegen das Modul an USB angeschlossen ist, liegt an S (und damit auch am Kontakt “+5V”) die Spannung VBUS, vermindert um den Spannungsabfall an der Schottky-Diode (D2), an. Nun ist dieser Spannungsabfall gerade auch gleich UGS. Da dieser Spannungsabfall deutlich kleiner als 1 V ist (genauer: im Verhältnis zu Uth sogar negativ), sperrt der MOSFET jetzt und der LiPo ist vor der Spannung +5V geschützt.
Der Kontakt “+5V” ist auf dem TTGO-Modul über den 5V-Pin (neben dem Reset-Taster; im Schaltbild bei C/6) zugängig; mit einem Spannungsmessgerät lassen sich daher die bisherigen Darlegungen leicht überprüfen.
Dieser 5V-Pin kann auch zur Stromversorgung eingesetzt werden. Ist hierbei die eingespeiste Spannung allerdings größer als die zulässige Ladespannung für den LiPo, kann der angeschlossene LiPo zerstört werden, sobald sich der MOSFET Q5 in einem leitenden Zustand befindet; das ist - wie oben festgestellt - der Fall, wenn das TTGO-Modul nicht an USB angeschlossen ist! Merke: Bei der externen Stromversorgung über den 5V-Pin darauf achten, dass kein LiPo angeschlossen ist!
Der Spannungsregler
Am Eingang des Spannungsreglers AP2112K (im Feld D/7-8) liegt die Spannung “+5V” an; diese kann nach den bisherigen Erläuterungen (im Wesentlichen) gleich der USB-Spannung 5 V oder gleich der Akku-Spannung (zwischen 3,7 V und 4,2 V) oder auch gleich einer anderen geeigneten Spannung sein, die extern über den 5V-Pin eingespeist wird. Am Ausgang des Spannungsreglers liegt dann eine Spannung von 3,3 V (VDD3V3) an. Mit dieser Spannung werden zahlreiche Komponenten auf dem Modul versorgt, insbesondere der ESP32-Baustein. Diese Spannung wird dem Anwender auch über die Pins “3V” zur Verfügung gestellt.
Energie sparen mit V3V und BAT
Durch den Schaltungsteil oberhalb des Spannungsreglers (Feld C-D/7-8) werden zwei weitere Spannungen, nämlich V3V und BAT, zur Verfügung gestellt.
Über BAT lässt sich die Spannung “+5V” mit einem im ESP32 integrierten Analog-Digital-Converter (ADC) an GPIO43 messen. Dies ist insbesondere für den Betrieb mit einer Batterie interessant, da sich so der Ladezustand abschätzen lässt. Zur Messung ist es allerdings notwendig, die Spannung über einen Spannungsteiler (Feld B/2) zu halbieren, da der ESP32 nur Spannungen bis ca. 2,5V messen kann.
V3V versorgt den USB-Seriell-Wandler, sowie die Pull-Up-Widerstände des SPI-Displays mit 3,3 V. Der Grund, warum diese nicht direkt an VDD3V3 angeschlossen sind bzw. die Spannung nicht direkt über “+5V” gemessen wird, ist derselbe: Energie sparen. Beide Spannungen können über je ein MOSFET von der jeweiligen Spannungsversorgung getrennt werden. Dies ist besonders im Batterie-Betrieb von Interesse, da auch kleine Ströme (wie beim Spannungsteiler, der an BAT angeschlossen ist) die Batterie über die Zeit entladen. Bei Bedarf kann der ESP32 die Spannungen über PWR_EN (GPIO14) einschalten. Sollte das Modul an USB angeschlossen sein, werden BAT und V3V automatisch aktiviert.
Dies geschieht mit der Transistorschaltung in den Feldern C-D/7-8. Die Dioden D1, D6 bilden dabei eine ODER-Schaltung: Wenn das Modul über USB angeschlossen ist ODER PWR_EN vom ESP32 auf High gesetzt ist, schaltet der Transistor Q3 durch. Dieser zieht die Gates der beiden MOSFETs Q4 und Q6 auf GND, wodurch diese wiederum öffnen und BAT mit VBAT (Q4) bzw. V3V mit VDD3V3 (Q6) verbinden. Sollten weder PWR_EN High sein noch das Modul über USB mit Spannung versorgt werden, sperrt Q3; die Gates werden dann über einen Widerstand auf “+5V” gezogen, die MOSFETs sperren und BAT und V3V sind getrennt.
Ko-Autor: Michael Heinrichs
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- über den USB-Anschluss
- über einen LiPo-Akku (Anschluss auf der Unterseite)
- über den 5V-Anschluss des TTGO-Moduls (neben dem Reset-Taster)
Achtung: Für einen Betrieb über den 5V-Anschluss des TTGO-Moduls sollte der Akku (LiPo) unbedingt entfernt werden. Wird nämlich der TTGO ohne USB-Anschluss betrieben, dann wird der Akku über den MOSFET Q5 direkt mit dem 5V-Anschluss verbunden (vgl. Abb. 1); dies könnte den Akku zerstören. Mehr dazu weiter unten...
Schauen wir uns die Spannungsversorgung beim TTGO an Hand des Schaltplans (vgl. Anhang) nun einmal genauer an!
Folgende Spannungen/Anschlüsse müssen dabei unterschieden werden:
- VBUS (Spannung vom USB-Anschluss; 5 V)
- VBAT (Spannung am Akku; 3,7 V - 4,2 V)
- BAT (dient zur Kontrolle der Versorgungsspannung durch den ESP32)
- +5V (Spannung vom USB-Anschluss bzw. vom Akku, ggf. auch von einer externer Quelle; Wert zwischen 3,7 V und 5,0 V; Zugriff über den Anschluss “5V” auf dem Modul)
- VDD3V3 (Spannung von ca. 3,3 V für den ESP32 und weitere Komponenten, wird vom Spannungsregler von “+5V” erzeugt; VDD3V3 wird an verschiedenen Pins (“3V”) des Moduls zur Verfügung gestellt.)
- V3V (Spannung von ca. 3,3 V für das Display und den USB-UART-Wandler; ausschaltbar, s. u.)
Die “+5V”-Vorrangschaltung
Diese Schaltung befindet sich im Feld D/5-6 (vgl. Abb. 1). Sie besitzt die Eingänge VBAT und VBUS. Am “+5V”-Ausgang der Schaltung liegt die Spannung von VBUS (5 V) vor, wenn das Modul über USB angeschlossen ist; ansonsten finden wir am Ausgang der Schaltung die Spannung VBAT (je nach Ladezustand des Akkus zwischen 3,7 V und 4,2 V).
- Abb. 1
- Plus_5V.jpg (76.66 KiB) 14811 mal betrachtet
Wie funktioniert nun diese Schaltung? Wesentlicher Baustein ist hier ein MOSFET SI2305 (in der Schaltung mit Q5 bezeichnet). Genauer gesagt handelt es sich hier um einen p-Kanal-Enhancement-MOSFET. Grob vereinfacht wird hier die Strecke zwischen D(rain) und S(ource) leitend, wenn die Spannung UGS zwischen G(ate) und S eine bestimmte Schwelle (engl. threshold) Uth überschreitet; ansonsten sperrt sie. Die Schwellenspannung beträgt etwa 1 V. (In Wirklichkeit ist der Übergang fließend!). Prinzipiell arbeitet unser MOSFET also wie ein Widerstand, der durch UGS gesteuert werden kann; dabei kann dieser Widerstand prinzipiell in beide Richtungen leiten. Im Sperrzustand wirkt der MOSFET zusätzlich wie eine Diode, deren Durchlassrichtung von D nach S weist. Selbst wenn keine Spannung am Gate anliegt, fließt durch dieses Diode schon ein Strom (zum Spannungsregler im Feld D/7); dies führt erst einmal bei S zu einer Spannung von ca. VBAT minus dem Spannungsabfall an der Diode (ca. 1,2 V).
- Abb. 2
- MOSFET_Symbol_klein.jpg (3.95 KiB) 14812 mal betrachtet
Wir betrachten nun den Fall, dass das Modul nicht an USB angeschlossen ist. Dann wird G durch einen Widerstand auf GND (Ground) gezogen. In diesem Fall ist UGS deutlich größer als Uth; deswegen wird die G-S-Strecke (gut) leitend; der Spannungsabfall zwischen G und S wird jetzt deutlich kleiner, und an dem Kontakt “+5V” liegt fast die vollständige Spannung des LiPo an.
Wenn hingegen das Modul an USB angeschlossen ist, liegt an S (und damit auch am Kontakt “+5V”) die Spannung VBUS, vermindert um den Spannungsabfall an der Schottky-Diode (D2), an. Nun ist dieser Spannungsabfall gerade auch gleich UGS. Da dieser Spannungsabfall deutlich kleiner als 1 V ist (genauer: im Verhältnis zu Uth sogar negativ), sperrt der MOSFET jetzt und der LiPo ist vor der Spannung +5V geschützt.
Der Kontakt “+5V” ist auf dem TTGO-Modul über den 5V-Pin (neben dem Reset-Taster; im Schaltbild bei C/6) zugängig; mit einem Spannungsmessgerät lassen sich daher die bisherigen Darlegungen leicht überprüfen.
Dieser 5V-Pin kann auch zur Stromversorgung eingesetzt werden. Ist hierbei die eingespeiste Spannung allerdings größer als die zulässige Ladespannung für den LiPo, kann der angeschlossene LiPo zerstört werden, sobald sich der MOSFET Q5 in einem leitenden Zustand befindet; das ist - wie oben festgestellt - der Fall, wenn das TTGO-Modul nicht an USB angeschlossen ist! Merke: Bei der externen Stromversorgung über den 5V-Pin darauf achten, dass kein LiPo angeschlossen ist!
Der Spannungsregler
Am Eingang des Spannungsreglers AP2112K (im Feld D/7-8) liegt die Spannung “+5V” an; diese kann nach den bisherigen Erläuterungen (im Wesentlichen) gleich der USB-Spannung 5 V oder gleich der Akku-Spannung (zwischen 3,7 V und 4,2 V) oder auch gleich einer anderen geeigneten Spannung sein, die extern über den 5V-Pin eingespeist wird. Am Ausgang des Spannungsreglers liegt dann eine Spannung von 3,3 V (VDD3V3) an. Mit dieser Spannung werden zahlreiche Komponenten auf dem Modul versorgt, insbesondere der ESP32-Baustein. Diese Spannung wird dem Anwender auch über die Pins “3V” zur Verfügung gestellt.
- Abb. 3
- Spannungsregler.jpg (128.41 KiB) 14810 mal betrachtet
Energie sparen mit V3V und BAT
Durch den Schaltungsteil oberhalb des Spannungsreglers (Feld C-D/7-8) werden zwei weitere Spannungen, nämlich V3V und BAT, zur Verfügung gestellt.
Über BAT lässt sich die Spannung “+5V” mit einem im ESP32 integrierten Analog-Digital-Converter (ADC) an GPIO43 messen. Dies ist insbesondere für den Betrieb mit einer Batterie interessant, da sich so der Ladezustand abschätzen lässt. Zur Messung ist es allerdings notwendig, die Spannung über einen Spannungsteiler (Feld B/2) zu halbieren, da der ESP32 nur Spannungen bis ca. 2,5V messen kann.
V3V versorgt den USB-Seriell-Wandler, sowie die Pull-Up-Widerstände des SPI-Displays mit 3,3 V. Der Grund, warum diese nicht direkt an VDD3V3 angeschlossen sind bzw. die Spannung nicht direkt über “+5V” gemessen wird, ist derselbe: Energie sparen. Beide Spannungen können über je ein MOSFET von der jeweiligen Spannungsversorgung getrennt werden. Dies ist besonders im Batterie-Betrieb von Interesse, da auch kleine Ströme (wie beim Spannungsteiler, der an BAT angeschlossen ist) die Batterie über die Zeit entladen. Bei Bedarf kann der ESP32 die Spannungen über PWR_EN (GPIO14) einschalten. Sollte das Modul an USB angeschlossen sein, werden BAT und V3V automatisch aktiviert.
Dies geschieht mit der Transistorschaltung in den Feldern C-D/7-8. Die Dioden D1, D6 bilden dabei eine ODER-Schaltung: Wenn das Modul über USB angeschlossen ist ODER PWR_EN vom ESP32 auf High gesetzt ist, schaltet der Transistor Q3 durch. Dieser zieht die Gates der beiden MOSFETs Q4 und Q6 auf GND, wodurch diese wiederum öffnen und BAT mit VBAT (Q4) bzw. V3V mit VDD3V3 (Q6) verbinden. Sollten weder PWR_EN High sein noch das Modul über USB mit Spannung versorgt werden, sperrt Q3; die Gates werden dann über einen Widerstand auf “+5V” gezogen, die MOSFETs sperren und BAT und V3V sind getrennt.
Ko-Autor: Michael Heinrichs
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