Automatische Umschaltung der Mikrocontroller-Spannungsversorgung

Viele Microcontroller-Boards besitzen zwei oder mehr Eingangsquellen für die DC-Stromversorgung, zum Beispiel ein Netzteil, einen USB-Anschluss einen Akku. Die Implementierung der Umschaltung zwischen den Spannungsquelle kann über einen Handschalter erfolgen, aber die automatische Umschaltung ist vorzuziehen. In der Regel wird die Spannungsquelle mit der höchsten, verfügbaren Eingangsspannung verwendet (bzw. diejenige, bei der überhaupt eine Spannung anliegt). Sie können die Umschaltung mittels Schottkydioden realisieren, die gewissermaßen eine Oder-Verknüpfung der Spannungsquellen bilden. Notwendig sind die Dioden, weil die Spannungsquellen niemals exakt die gleiche Spannung liefern. Sobald aber nur ein geringer Spannungsunterschied zwischen zwei Eingängen besteht, fließt ein unerwünscher Strom zwischen den Quellen. Leider liegt der Vorwärtsspannungsabfall einer Schottky-Diode im Bereich von 300 - 600 mV, was die zur Verfügung stehende Spannung reduziert.

Das ist nicht weiter schlimm, wenn die Eingangsspannungen sowieso höher als benötigt sind und ein Spannungsregler nachgeschaltet ist. Übliche Controller arbeiten auch mit leicht reduzierter Versorgung von ca. 4,7 V noch einwandfrei. Das folgende Bild zeigt eine typische Schaltung, wie sie so oder ähnlich bei vielen Boards zu finden ist (z. B. auch beim Arduino). Die Spannungsregler gehören eigentlich schon zum Versorgungsteil des Boards. Der einzige Unterschied zum Bild oben besteht darin, dass die Umschaltung des USB-Eingangs nicht direkt über die Schottky-Diode, sondern über einen MOSFET erfolgt. Der Zweck der Schaltung ist auch eher einseitig: Sobald das Netzteil angeschlossen ist, wird die Versorgung per USB abgeklemmt.

Etwas aufwendiger ist eine Lösung mit Operationsverstärker und P-MOSFET. Dabei gilt es, einen geeigneten MOSFET zu wählen. Dessen On-Widerstand muss bei Vollast niedrig genug sein, damit der Spannungsabfall und die Leistungsaufnahme des MOSFET nicht zu hoch werden. Die Wahl fiel hier auf den P-Kanal-MOSFET SI2333CDS, der für Low-Power-Systeme ab 3,3 V geeignet ist. Natürlich können auch andere Typen mit vergleichbaren Werten eingesetzt werden.

Der verwendete Operationsverstärker muss für die geplanten Spannungen geeignet sein und in der Lage sein, die MOSFETs Gate-Spannung zu treiben. Das P-Kanal-Design erfordert einen sogenannten Rail-to-Rail-Typ. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Offset-Spannung des OPV. Diese muss im Betrag kleiner sein als der maximale Spannungsabfall über dem MOSFET. Fallen z. B. 10 mV über dem MOSFET bei Volllast ab, sollte die Offsetspannung betragsmäßig nicht mehr als 5 mV sein.

In der folgenden Schaltung sind die Schaltungen für die drei Spannungsquellen identisch. Es gnügt also, die Schaltung mit IC1A und Q1 zu betrachten. Die Widerstände R1 und R2 bilden den Eingangsspannungsteiler, der den invertierenden OPV-Eingang auf einen Pegel leicht unterhalb der Eingangsspannung legt. Die Differenz zur Eingangsspannung muss größer als die Offset-Spannung des OPV sein, um einen stabilen Betrieb zu ermöglichen. In der Schaltung liegt die Vorspannung der invertierende Eingänge bei 99,9% der Eingangsspannung (4.995 V). Gegebenenfalls kann R1 (bzw. R7 oder R13) leicht erhöht werden. Bei geringem Laststrom kann es auch vorkommen, dass der MOSFET nicht ganz durchgesteuert wird. Auch das kann durch Anpassen der Widerstände behoben werden. R4 und C1 verhindern Schwingneigungen der Schaltung. Über R6 (bzw. R12, R18) wird die Ausgangsspannung Vcc auf den nichtinvertierenden Eingang zurückgekoppelt. Der OPV arbeitet als Komparator. Ist die Eingangsspannung höher als Vcc, schaltet der MOSFET voll durch, ist sie niedriger, wird er gesperrt. So wird immer die Quelle mit der höchsten Spannung auf den Ausgang Vcc geschaltet.