Batterie-Backup und Power-Path

Ein Datenlogger, eine Wetterstation oder ein smarter Türsensor soll am USB-Netzteil laufen und dabei seinen Akku laden – und bei einem Stromausfall einfach weiterarbeiten. Hängst du das Gerät direkt an den Akku und lädst diesen gleichzeitig, gibt es zwei Probleme: Der Lader sieht den Strom des Geräts als Ladestrom und erkennt das Ladeende nicht, und der Akku wird dauernd ein wenig ge- und entladen. Die Lösung heißt Power-Path: Steckt USB, versorgt USB das Gerät und lädt nebenbei den Akku. Fällt USB weg, schaltet die Schaltung den Akku ohne Unterbrechung auf die Last.

Dafür reichen eine Schottky-Diode, ein P-Kanal-MOSFET und ein Widerstand. Der Lader stammt aus der Ladeschaltung für Li-Ion-Zellen, dahinter erzeugt ein LDO-Regler 3,3 V für einen Mikrocontroller wie den ESP32.

Schaltplan

• D1, SS14: Schottky-Diode 1 A, 40 V. Sie führt den Laststrom aus USB und verhindert, dass der Akku in den USB-Anschluss zurückspeist.
• Q1, AO3401A: P-Kanal-MOSFET im SOT-23, −30 V, −4 A, etwa 50 mΩ. Er verbindet den Akku mit der Last, wenn USB fehlt.
• R1, 10 kΩ: zieht das Gate von Q1 ohne USB auf Masse.
• IC1, TP4056: Lader, versorgt allein aus USB. Er sieht nur den Akku, nicht die Last.
• IC2, AP2112K-3.3: LDO mit 3,3 V und bis 600 mA, mit 1 µF bis 10 µF Keramik stabil.
• C2, C3, 10 µF: Keramik an der Lastschiene und am Ausgang.

So funktioniert die Schaltung

USB steckt. Die Lastschiene liegt über D1 bei 5 V − 0,35 V = 4,65 V. Das Gate von Q1 hängt direkt an 5 V, seine Source an 4,65 V: Die Gate-Source-Spannung ist positiv, ein P-MOSFET sperrt dann. Auch seine Body-Diode, die vom Drain (Akku) zur Source (Last) zeigt, sperrt, solange der Akku unter 4,65 V liegt – mit höchstens 4,2 V ist das sicher. Der Lader lädt den Akku ungestört.

USB fehlt. R1 zieht das Gate auf 0 V. Die Source liegt zunächst über die Body-Diode bei etwa U_Akku − 0,65 V; die Gate-Source-Spannung wird damit deutlich negativ, Q1 schaltet durch und überbrückt seine eigene Body-Diode. Die Last hängt jetzt mit nur wenigen Millivolt Verlust am Akku. D1 sperrt in Gegenrichtung, sodass der Akku weder den Lader noch den USB-Anschluss speist.

Wie bei jedem P-MOSFET als High-Side-Schalter ist der Trick, die Gate-Spannung relativ zur Source zu sehen. Ungewöhnlich ist nur die Einbaurichtung: Die Source zeigt zur Last, damit die Body-Diode in der Umschaltlücke schon leitet.

Dimensionierung

Gegeben: ESP32-Board mit 3,3 V, im Mittel 80 mA, Spitzen bis 300 mA; Li-Ion-Zelle 2000 mAh; USB-Netzteil 5 V, 1 A.

1. Diode D1. Bei 300 mA hat die SS14 etwa 0,35 V Flussspannung und setzt 0,35 V · 0,3 A ≈ 0,1 W um. Sperren muss sie höchstens 4,2 V. Eine Silizium-Diode wie die 1N4001 ginge auch, doch mit 0,8 V läge die Lastschiene bei 4,2 V – dann könnte die Body-Diode bei vollem Akku nicht mehr sicher sperren.

2. MOSFET Q1. Ohne USB liegt am Gate 0 V, an der Source rund 3,7 V: U_GS ≈ −3,7 V. Die Schwellspannung des AO3401A liegt bei −0,5 bis −1,3 V, er leitet also voll. Mit etwa 60 mΩ:

Selbst bei leerer Zelle mit 3,0 V bleibt U_GS weit genug unter der Schwelle. Ein MOSFET mit −2 bis −3 V Schwelle wäre hier zu knapp; nimm einen Typ, der im Datenblatt bei −2,5 V spezifiziert ist.

3. Gate-Widerstand R1 und Umschaltlücke. R1 entlädt den USB-Eingang samt Kondensator C1 des Laders (10 µF) mit τ = R₁ · C = 10 kΩ · 10 µF = 100 ms. Q1 schaltet ein, wenn das Gate etwa 1 V unter die Source gefallen ist, also unter 2,05 V:

So lange trägt die Body-Diode den Strom, und am LDO liegen nur 3,05 V an. Er gibt dann etwa 2,93 V aus – für die meisten Mikrocontroller kein Problem, der ESP32 etwa löst seinen Brown-out-Reset erst deutlich darunter aus. Ein größeres R1 verlängert die Lücke; 100 kΩ, wie man es oft sieht, ergäbe 400 ms. Mit USB fließen durch R1 nur 0,5 mA.

4. LDO. Der AP2112K hat bei 300 mA etwa 125 mV Dropout. Er regelt also, solange der Akku über 3,3 V + 0,125 V ≈ 3,43 V liegt. Darunter folgt der Ausgang der Zelle; ab etwa 3,0 V Zellspannung sollte die Software abschalten. Die Verlustleistung im Akkubetrieb ist höchstens (4,2 V − 3,3 V) · 0,3 A ≈ 0,27 W in der Spitze, im Mittel (3,7 V − 3,3 V) · 0,08 A ≈ 32 mW.

5. USB-Strombudget. Lädt der Akku mit 500 mA und läuft das Board mit 300 mA Spitze, braucht USB bis 0,8 A. Ein Rechner-Anschluss nach USB 2.0 liefert nur 500 mA – dort stellst du den Ladestrom mit 2,7 kΩ auf 444 mA ein oder nimmst ein Netzteil mit 1 A.

Bauteilliste

Varianten

Ideale Diode statt D1. Die 0,35 V an D1 kosten im USB-Betrieb 0,1 W. Ein Ideal-Dioden-IC wie der LM66100 ersetzt die Schottky-Diode durch einen geregelten MOSFET mit wenigen Millivolt Verlust; das Prinzip der einfachen Diodenlösung zeigt die Dioden-ODER-Schaltung.

Alles in einem IC. Lader mit eingebautem Power-Path wie der MCP73871 oder der BQ24074 erledigen Umschaltung, Ladestromaufteilung und Temperaturüberwachung selbst. Sie geben der Last Vorrang und laden den Akku nur mit dem Rest des USB-Stroms.

5-V-Ausgang. Braucht das Gerät 5 V auch im Akkubetrieb, folgt statt des LDO ein Aufwärtswandler (Boost). Im USB-Betrieb liegen an dessen Eingang dann 4,65 V, im Akkubetrieb 3 bis 4,2 V.

Größere Anlagen. Für 12-V- und 24-V-Systeme mit Bleiakku arbeitet dasselbe Prinzip mit größeren Bauteilen; Grundlagen zu solchen Anlagen stehen unter USV. Gegen falsch angeschlossene Akkus hilft zusätzlich ein Verpolungsschutz mit MOSFET.

Typische Fehler

• Q1 falsch herum: Liegen Drain und Source vertauscht, zeigt die Body-Diode vom USB-Zweig in den Akku. Der Akku wird dann ungeregelt aus 4,65 V geladen – gefährlich. Die Source gehört an die Lastschiene.
• Akku entlädt sich langsam bei gestecktem USB: Die Lastschiene liegt nicht hoch genug über dem Akku, etwa wegen einer Silizium-Diode statt Schottky. Die Body-Diode leitet dann schwach.
• Gerät startet beim Abziehen neu: Die Umschaltlücke ist zu lang oder die Spannung darin zu tief. R1 verkleinern, Kondensatoren am USB-Eingang klein halten oder einen größeren Kondensator an die Lastschiene setzen.
• Q1 schaltet bei Hitze nicht richtig ein: Der Sperrstrom der Schottky-Diode steigt mit der Temperatur stark und lädt über R1 das Gate auf. Bei 100 kΩ reichen einige zehn Mikroampere, um Q1 halb offen zu halten; mit 10 kΩ bleibt Reserve.
• Ladung endet nie: Die Last hängt doch direkt am Akku statt an der Lastschiene. Prüfe, ob der Lader wirklich nur den Akku sieht.

Selbsttest