LiPo/LiIon-Schutzbeschaltung für kleine Projekte

Lithium-Akkus haben ihre Stellung bei mobiler Elektronik nicht ohne Grund. Entsprechend gibt es auch fertige Schutzbeschaltungen, die ja für einen sicheren Betrieb sehr nötig sind, wie Sand am Meer. Ein Eckpunkt dabei ist allerdings der Tiefentladeschutz. Übliche Praxis ist es, nicht unter 3 V pro Zelle zu entladen. Da allerdings die überwiegende Mehrheit der Schutz-ICs eine interne Schwelle um 2.5 V hat, heißt das, dass die letztendlich betriebene Schaltung eine Überwachung der Batteriespannung mitbringen muss.

Das ist oft sowieso vorgesehen, aber nicht immer. 3.7 V sind eine nicht nur für Mikrocontroller praktische Versorgungsspannung und selbst für dann ist es manchmal eher egal, wenn das System einfach ausgeht, wenn die Batterie alle ist – nichts also, wofür man extra eine Batteriespannungsüberwachung einbauen müssen will.

Schaltbild um den XB5358 und eine Lithium-Zelle. Außer dem IC braucht es nur ein RC-Glied aus 100 Ω und 100 nF für dessen Versorgungsspannung. Schaltbild um den XB5358 und eine Lithium-Zelle. Außer dem IC braucht es nur ein RC-Glied aus 100 Ω und 100 nF für dessen Versorgungsspannung.
Die im Datenblatt des XB5358 vorgeschlagene Schaltung in ihrer Gesamtheit. Die internen MOSFETs verbinden VM und GND, wenn alles in Ordnung ist.

Auf der Suche spezifisch nach Schutz-ICs mit höherer Entladeschlussschwelle fand ich den XB5358D0, der bei 2,9 V abschaltet. Zudem ist dieser IC für kleine Schaltungen optimiert und bringt seine eigenen Leistungs-MOSFETs mit, wodurch die gesamte Schutzschaltung sehr unkompliziert wird.

Da praktisch alles Wichtige eingebaut ist, sah dieser IC nach einem guten Kandidaten für kleine Schaltungen ohne besonders hohen Leistungsbedarf aus, mit dem ich mich vorrangig um andere Dinge als eine Batteriespannungsüberwachung kümmern kann.

Exzerpt aus dem Datenblatt des XB5358D0. Aufgelistet sind: Over-temperature Protection, Overcharge Current Protection, Three-step Overcurrent Detection: Overdischarge Current 1, Overdischarge Current 2, Load Short Circuiting Exzerpt aus dem Datenblatt des XB5358D0. Aufgelistet sind: Over-temperature Protection, Overcharge Current Protection, Three-step Overcurrent Detection: Overdischarge Current 1, Overdischarge Current 2, Load Short Circuiting
Alles Wichtige an Schutzfunktionen ist da. Die Überstromerkennung hat interne Totzeiten, vermutlich um ein fehlerhaftes Auslösen bei Stromspitzen zu verhindern.
Winzige, dünne Platine, die auf einem kleinen, zylinderförmigen LiPo sitzt und von ihren zwei Anschlussdrähten an ihrem Platz gehalten wird. Auf der Platine finden sich die oben abgebildete Schaltung um den XB5358D0 und vier Pads für die Akkuzelle und den externen, geschützten Anschluss.
Der XB5358D0 eignet sich ausgezeichnet, um LiPos, die in der Natur ohne Schutzbeschaltung vorkommen (auf der Straße liegende E-Zigaretten) nützlich zu machen.

Verpolschutz

Eine Schutzfunktion fehlt in der oben abgedruckten Liste. Und in der Tat ist das Verhalten bei verpolter Batterie weniger rühmlich: Nicht nur leitet der XB5358 zwischen VM und VDD (was dank des 100 Ω-Widerstands nicht katastrophal wäre), sondern er lässt auch die internen MOSFETs durchschalten. Das heißt also, dass eine verkehrtherum angeschlossene Batteriespannung unverblümt auch an die betriebene Schaltung weitergeleitet wird.

Ist der XB5358D0 wie oben fest mit der Zelle verbunden, ist das kein Problem. Ein relevanter Anwendungsfall für mich wären aber Platinen mit einem 18650er-Batteriehalter, in die es oft genug sehr einfach ist, die Batterie falsch herum einzusetzen. Dieses Problem lässt sich mit einem MOSFET lösen, der XB5358D0 und die letztendlich betriebene Schaltung nur bei korrekter Akkupolarität ankoppelt.

Ein n-Kanal-MOSFET wurde in die vorige Schaltung eingefügt. Sein Gate ist mit UBAT verbunden, wodurch er VM des XB5358D0 (Source) dann mit Batterie-Minus (Drain) verbindet, wenn es sich wirklich um den Minuspol handelt. Eine LED mit Vorwiderstand über der Drain-Source-Strecke zeigt an, wenn das nicht der Fall ist. Ein n-Kanal-MOSFET wurde in die vorige Schaltung eingefügt. Sein Gate ist mit UBAT verbunden, wodurch er VM des XB5358D0 (Source) dann mit Batterie-Minus (Drain) verbindet, wenn es sich wirklich um den Minuspol handelt. Eine LED mit Vorwiderstand über der Drain-Source-Strecke zeigt an, wenn das nicht der Fall ist.
In etwa jeder n-Kanal-MOSFET kann hier verwendet werden, solange er den vollen Last- und Ladestrom bei Ugs = 3 V aushält. Ich habe einen AO3400A verwendet.

Bei der Gelegenheit bietet es sich auch an, mit einer LED die Verpolung anzuzeigen.

Laden und automatische Quellenwahl

Eine Ladeschaltung kann direkt an UBAT und Masse angeschlossen werden, nachdem der XB5358 auch dafür gebaut ist. Um die Stromversorgung auf eine externe Spannungsversorgung UEXT umzuschalten, wenn eine verbunden ist, täten es im einfachsten Fall zwei Dioden. Ich habe hier noch einen p-Kanal-MOSFET eingesetzt, um mir den Vorwärtsspannungsabfall bei Batteriebetrieb zu sparen. Wie der n-Kanal-MOSFET oben ist die Wahl unkritisch, ich habe hier einen AO3401A eingesetzt.

Der vorige Schaltplan mit Verpolungsschutz wurde um eine Ladeschaltung erweitert. Zudem werden über eine Schottkydiode und einen p-Kanal-MOSFET die externe Spannungsversorgung UEXT und die Batteriespannung UBAT zu einer Ausgangsspannung UDD zusammengeführt. Der vorige Schaltplan mit Verpolungsschutz wurde um eine Ladeschaltung erweitert. Zudem werden über eine Schottkydiode und einen p-Kanal-MOSFET die externe Spannungsversorgung UEXT und die Batteriespannung UBAT zu einer Ausgangsspannung UDD zusammengeführt.
Die Schaltung um den XB5358 und Q1 ist dieselbe wie oben. Zudem wird die Batterie nun vom (TP, LTC, GX, …)4057 geladen, wenn 5 V an UEXT angeschlossen sind. In diesem Fall wird über D1 die Ausgangsspannung UDD ebenfalls von UEXT gespeist; ohne UEXT wird über Q2 UBAT an UDD weitergeleitet.

Einzig außergewöhnlich an der Schaltung sind D2 und D3. Diese zwei Dioden sind streng genommen nicht nötig, sie machen aber das Umschalten der Spannungsversorgung von einer Quelle auf die andere etwas geschmeidiger. Ohne die Dioden (mit Q2s Gate direkt an UEXT angeschlossen), kann Q2 abschalten bevor UEXT eine Spannung höher als UBAT erreicht hat oder umgekehrt zu spät einschalten, wenn UEXT abfällt. Je nach Gate-Source-Schwellspannung kann es daher zu Einbrüchen von UDD um ein paar hundert Millivolt kommen.

Graph der externen Spannungsversorgung UEXT, die an- und dann wieder abgeschaltet wird (während UBAT konstant ist) und der resultierenden Ausgangsspannung UDD. Beim Ein- und beim Ausschaltvorgang ist ein Einbruch von UDD zu sehen. Graph der externen Spannungsversorgung UEXT, die an- und dann wieder abgeschaltet wird (während UBAT konstant ist) und der resultierenden Ausgangsspannung UDD. Beim Ein- und beim Ausschaltvorgang ist ein Einbruch von UDD zu sehen.
Wenn man D2 und D3 durch Brücke ersetzt, sind die Spannungseinbrüche von UDD beim Umschalten der Versorgungsquelle deutlich zu sehen, besonders hier beim Abschalten von UEXT, was langsamer ist als das Einschalten.

Mit einer Diode sind die Einbrüche noch sichtbar, aber weniger stark. Mit zwei sind sie weg. Ob die Dioden wirklich notwendig sind, hängt von der angeschlossenen Schaltung ab (der maximale Einbruch wird so oder so von der Bodydiode von Q2 begrenzt), aber für die sicherste Variante sind sie im Diagramm oben vorgesehen.

Anlagen

Das Design der Schutzplatine im Bild oben (mit nur dem XB5358D0, Widerstand und Kondensator), findet sich hier.

Veröffentlicht am 24.6.2025 in #Schaltungsschnipsel, #Hardware und #analog.