Platine Designen für SPV1040

[Nick K. (nick-tech)]

Hallo Zusammen,

seit vielen Jahren betreibe ich meinen Kindle über eine in die Rückseite 
eingebaute Solarzelle, ein MAX1551 übernimmt die Laderegelung.

Das funktioniert so weit auch ganz gut, ich habe den Kindle seit dem 
Einbau nicht mehr an der Steckdose geladen.

Allerdings ist es hin und wieder notwendig den Kindle in die Sonne zu 
stellen, dort lädt sich die Batterie innerhalb eines Tages komplett auf.

Mittlerweile hat die Technik Fortschritte gemacht, es gibt ICs mit 
integriertem MPP-Tracking. Meine Hoffnung, ist dass dadurch von der oft 
nur indirekt beleuchteten Solarzelle (Wohnung) mehr Leistung abgerufen 
werden kann.

Leider benötigt der SPV1040 deutlich mehr externe Bauteile als der 
MAX1551. Das Problem ist auch der begrenzte Bauraum von 24mm x 30mm x 
4mm der im Kindle zur Verfügung steht (dort wo sonst das 3G-Modem 
sitzt). Mit Lochraster und bedrahteten Bauteilen komme ich da einfach 
nicht hin.

Leider fehlt mir die Erfahrung im designen von Platinen und auswählen 
der richtigen SMD-Bauteile. Findet sich jemand der mir dabei hilft? Ziel 
ist es eine Platine zu entwickeln die noch von Hand lötbar ist und in 
den Bauraum passt (die notwendige Spule könnte man auch nebendran 
irgendwo unterbringen) sowie externe Komponenten auszuwählen, die man 
über Reichelt/Conrad.. beziehen kann.

Ich bin für jeden Tipp und jede Hilfe dankbar!

[Jonas G. (jstjst)]

Sieht machbar aus. Vom Platine Designern kann ich dir schon helfen und 
SMD Bauteile auswählen geht auch noch. Aber den Schaltplan mit den 
Bauteilwerten musst du entwickeln. Hier hab ich nicht genug wissen und 
auch nicht genug Zeit. Aber die PDFs von ST sind hier wahrscheinlich 
recht hilfreich, gibt ja ein paar Beispielschaltungen.

Gruß Jonas

[Nick K. (nick-tech)]

Hallo Jonas,

ich habe vor einiger Zeit mal auf der ST-Homepage ein Berechnungstool 
gefunden und das mal durchgespielt (siehe Anhang.
Damals habe ich das mit der momentan verbauten 5V-Solarzelle gemacht, 
das Berechnungstool hat nicht gemeckert, allerdings sollte die maximale 
Spannung der Solarzelle wohl nicht höher sein als die 
Ladeschlussspannung des Akkus..

Ich würde den Kindle umbauen auf eine Zelle mit 2V oder 3V 
Leerlaufspannung. Der Bereich der ST-Homepage wo man dieses Tool findet 
wird aber gerade umgebaut und ist momentan nicht verfügbar.

In dieser Application Note:
http://www2.st.com/resource/en/application_note/cd00292052.pdf

wird eine ähnliche Schaltung mit einer 1,5V Solarzelle aufgebaut, 
Eingangsseitig ist dort lediglich ein etwas größerer Kondensator Cin 
(10uF statt 2,2uF)

Die Frage die sich mir noch stellt ist ob man einen LiIon-Akku direkt 
aus dem SPV1040 laden kann oder ob man weiterhin einen nachgelagerten 
Laderegler braucht (der durch seinen wiederum begrenzten Wirkungsgrad 
wieder ein Nachteil wäre)?

Vielen Dank schon mal für deine schnelle Antwort und deine 
Hilfsbereitschaft!

[Jonas G. (jstjst)]

Nick K. schrieb:
> Die Frage die sich mir noch stellt ist ob man einen LiIon-Akku direkt
> aus dem SPV1040 laden kann oder ob man weiterhin einen nachgelagerten
> Laderegler braucht (der durch seinen wiederum begrenzten Wirkungsgrad
> wieder ein Nachteil wäre)?

Ich glaube eher nicht:
>STEVAL-ISV006V2 has  been designed to  recharge  any  type  of battery  (except 
lithium compound)
Quelle: AN3319

Und
>The  board has been  designed to  charge lithium-ion and lithium-polymer 
batteries
Quelle: AN4050

Gruß Jonas

[Nick K. (nick-tech)]

Dann bleiben zwei Möglichkeiten:

1. Wir versuchen es nur mit dem SPV1040 und legen die Solarpanelgröße so 
aus, dass der Ladestrom den Akku nicht zerstören kann

2. Wir bauen eine zweistufige Platine mit einem LiIon-Laderegler als 
zweite Stufe. Die Laderegler brauchen ja alle nur ein paar zusätzliche 
Bauteile. Würde das platzmäßig noch reichen?

[Jonas G. (jstjst)]

Zwei wäre schon die bessere Variante. In dem AN4050 PDF steht ja genau 
das beschrieben. Ich weiß nur nicht, ob du den L6924D noch löten kannst.

Platz mäßig ist das schon ganz schön eng. Kannst du mal ein Foto machen 
oder aus dem Internet suchen und dort den Platz markieren?

[Jonas G. (jstjst)]

Also ich hab angefangen mir das AN4050 durch zulesen. Man bekommt mit 
der Lösung etwa 85% effizient hin.

>The  average overall power  efficiency  is  ~85%  (94%  for  SPV1040  and 90% for 
L6924D).

Was schaffst du aktuell etwa mit deiner Schaltung?

Gruß Jonas

[Nick K. (nick-tech)]

Hallo Jonas,

ich hab den kindle mal aufgemacht und den verfügbaren Bauraum 
ausgemessen und fotografiert. Dort ist auch meine bisherige großartige 
Schaltung zu sehen ;-)

Zu dem momentan verbauten Maxim 1551 kann ich nirgends eine 
Effizienzangabe finden. Ich kann also nur ganz grob schätzen. Wenn der 
Kindle den ganzen Tag in der Sonne steht und die Batterie vorher leer 
war, ist sie am Ende des Tages zu 75-80% aufgeladen. Die Solarzelle hat 
ihr Leistungsmaximum bei 4,3V und macht da bei voller Sonne knapp 100mA.

Gehen wir also von einer Leistung der Solarzelle von 430mW aus 
(4,3V*100mA), wäre die Batterie mit 5,5Wh bei einem Wirkungsgrad von 80% 
nach 12h zu 3/4 voll.

Bei dieser Rechnung sind aber sehr viele Unbekannte dabei, bei voller 
Sonneneinstrahlung sollte der Wirkungsgrad aber in etwa gleich sein. 
Wenn die Solarzelle jedoch nur indirekt beleuchtet wird, kann sie noch 
nicht einmal den Standby-Stromverbrauch des Kindles ausgleichen und das 
ist wirklich nicht viel.

Für genau diese Situation möchte ich die Schaltung ja haben..

[Jonas G. (jstjst)]

Ich denke man wird nicht wirklich über die 85% kommen. Ich kenn mich 
zwar nicht wirklich in dem Gebiet aus aber das ist schon recht viel. 
Gerade bei diffusen Licht sollte die Effizienz nicht sehr stark sinken.

Vom Platz her ist das ganze schon recht happig aber könnte gehen. Wie 
viel Erfahrung hast du mit SMD? Und kannst du über haupt den L6924D noch 
löten?

Vielleicht komm ich am Wochenende dazu die Bauteile mal grob 
zusammenzuschubsen dann zeigt sich ob das großen mäßig geht. Aber ich 
hab schon die ein oder andere Idee zum tricksen.

Gruß Jonas

[Philipp M. (pm_siggi)]

Hi Nick,

ich habe in meiner Studienzeit mal ein ähnliches Konzept verfolgt. 
Ausprobiert habe ich das ganze ersteinmal mit einem teildefekten Kindle, 
seit dem liegt das ganze noch etwas auf der Halde, da die Zeit fehlt, 
weiter zu machen.

Ich habe damals den LTC3105 verwendet, der in seinem Datenblatt auch 
eine Beispielsschaltung für Li-Ion Erhaltungsladung beinhaltet. Da 
konnte ich damals rund 150mA Ladestrom in den Akku schieben. (Feb. 2015)

http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/3105fb.pdf

Zellenspezifikation etc. suche ich heute Abend noch einmal..

Was die Baugröße angeht, habe ich hier einmal angehangen, was mir mit 
humaner Handlötung möglich war. Da geht sicher noch etwas.

Vielleicht ist der Chip ja auch was für dein Vorhaben.
Bei Bedarf habe ich noch ein paar der Platinen im Keller.

Grüße,
Phil

PS: Den gibt es auch als nicht QFN, der lässt sich dann auch besser 
Löten. Zu finden bei Conrad.

[Nick K. (nick-tech)]

Hallo Phil,

danke für deine Rückmeldung!
Den LTC3105 hatte ich auch schon im Fokus. Leider macht der kein MPP 
tracking, sondern ein "MPP-Control", also ein fixes einstellen der 
Eingangsspannung auf die geregelt wird. Nachdem beide ICs etwa die 
gleiche Anzahl externer Bauteile benötigen, habe ich mich für den 
SPV1040 entschieden.

Wenn du mit dem LTC3105 direkt einen Li-Ion Akku laden konntest, sollte 
das mit dem SPV1040 doch auch funktionieren, beide haben keine 
gesonderte Laderegelung sondern regeln auf eine Fixe Ausgangsspannung. 
Den Rest macht der durch die kleine Solarzelle begrenzte Ladestrom.

Aber wenn ich deine Schaltung sehe bin ich zuversichtlich dass das 
machbar ist, diese Größenordnung bekomme ich auch gelötet. Den SPV1040 
gibt es ja auch als TSSOP8, das sollte schon gehen.


@Jonas: Kann man die Platine so designen, dass wir zunächst nur den Teil 
für den SPV1040 auslegen, dann kann ich das laden testen. Falls das 
nicht klappt könnte man die Platine erweitern mit einem Laderegler (z.B. 
der MAX1551). Dazu müsste man natürlich die Ausgangsspannung der ersten 
Stufe anpassen, dazu würde es aber genügen die Widerstände zu tauschen.

Vielen Dank euch beiden!

[Jonas G. (jstjst)]

Ja ich kann die Platine so designen. Ich muss aber eh erst mal schauen 
was auf den Platz drauf geht.

Kannst du mir bis zum Wochenende einen Schaltplan mit Bauteilwerten 
machen?

[Nick K. (nick-tech)]

Hallo Jonas,

im Anhang die empfohlenen Bauteilwerte für die 2V Solarzelle. Achtung, 
die Reihenfolge der Pins am IC sind anders als in der Darstellung (warum 
auch immer man das so macht..)

Herzlichen Dank dir!

[Jonas G. (jstjst)]

Das sieht gut aus. Die Pins werden vertauscht, damit der Schaltplan 
nicht so verheddert ist.

Könnte zumindest halbwegs zum laden zu gebrauchen sein, da es eine 
Strombegrenzung hat.

[Nick K. (nick-tech)]

Jonas G. schrieb:
> Das sieht gut aus. Die Pins werden vertauscht, damit der Schaltplan
> nicht so verheddert ist.

Off Topic: Ja schon, aber warum "verkabelt" man dann die Pins intern 
nicht gleich so dass sie so rauskommen. Letztlich könnte jeder 
Schaltplan die Pins so wie dargestellt am besten brauchen, oder? Und es 
erscheint mir einfacher das im IC zu machen als danach auf der Platine

[Philipp M. (pm_siggi)]

Nick K. schrieb:
> Aber wenn ich deine Schaltung sehe bin ich zuversichtlich dass das
> machbar ist, diese Größenordnung bekomme ich auch gelötet. Den SPV1040
> gibt es ja auch als TSSOP8, das sollte schon gehen.

Dann drücke ich dir definitiv die Daumen, das sollte machbar sein.
Wer weiß.. vielleicht beschäftige ich mich bei Zeiten auch noch einmal 
mit dem SPV1040. Ich fand den genossen damals ganz Interessant, habe 
mich dann aber quasi mit der "trickle charge" Variante des LTC3105 
zufriedengegeben.

Wohl auch weil die Datenblätter des SPV1040 explizit erwähnen, dass er 
nicht zum Laden eine Lithium Akkus geeignet ist.

Grüße,
Phil

[Jonas G. (jstjst)]

Also der Schaltplan ist schon mal abgezeichnet. Kannst du nochmal kurz 
drüber schauen?

Gruß Jonas

[Jonas G. (jstjst)]

Also Platz mäßig klappt das schon mal. Nur mit der Höhe geht es noch 
nicht ganz. Die Spule ist etwas zu hoch. Entweder es findet sich eine 
niedrigere oder die muss außerhalb hin. Wie hocb ist den der Platz an 
der größten Höhe? Die Befestigungsteile im Plastik könnte man für die 
Platine nutzen. Kannst du die mal ausmessen?

Gruß Jonas

[Nick K. (nick-tech)]

Hallo Jonas,

ich bin erst heute Abend wieder zu hause, dann schau ich mir das mal 
genau an.

Ganz herzlichen Dank schon mal!

[Jonas G. (jstjst)]

Hallo,

hier mal der Schaltplan mit dem L6924D.

Ich bekomme den SPV1040 sowie den L6924D auf die Platine. Ich würde es 
einfach so machen, dass es dazwischen einen Abgriff gibt und man den 
L6924D nicht zwingend bestücken muss. Sollte es doch nötig sein wäre das 
kein Problem.

Gruß Jonas

[Nick K. (nick-tech)]

Hallo Jonas,

das sieht schon sehr gut aus. Vielleicht können wir die Spule auch im 
pcb "versenken". Also dort ein loch lassen wo die Spule ist und die 
Anschlüsse sozusagen bündig verlöten. Ich hab die Spule schon da, ich 
mess sie morgen mal aus.

Vielen Dank für deine Hilfe,
Christoph

[Jonas G. (jstjst)]

Die Idee mit dem versenken kam mir auch schon allerdings ist das 
wahrscheinlich immer noch ein Stück zu hoch

Edit: hast du auch schon die anderen Teile?

[Nick K. (nick-tech)]

Hallo Jonas,

ich habe noch mal nachgesehen, ich habe nicht diese Spule daheim, 
sondern die hier:

http://www.coilcraft.com/pdfs/mss5131.pdf
MSS5131-103MLB

Die ist zwar etwas kleiner, hat aber auch einen höheren 
Gleichstromwiderstand.


Die von ST empfohlene Spule:
http://www.farnell.com/datasheets/20271.pdf
ELLATV100M

ist aber auch nur 4,2mm hoch, das kriege ich schon irgendwie unter, wenn 
wir die Spule in der Platine "versenken". Das Magnesiumgehäuse hat 
rippen, da muss ich das nur günstig platzieren, dann passt das ins 
Gehäuse.

Den SPV1040 hab ich auch schon hier, sonst aber noch keine Teiale.

Viele Grüße,
Christoph

[Jonas G. (jstjst)]

Ich denke die Spule sollte auch gehen, da kenne ich mich aber nicht 
richtig aus.

Jonas G. schrieb:
> Die Befestigungsteile im Plastik könnte man für die
> Platine nutzen. Kannst du die mal ausmessen?

Gruß Jonas

[Nick K. (nick-tech)]

Hallo Jonas, die Spule hat keine Teile aus Kunststoff, nur den 
Spulenkötper aus Ferrit. Die Abmessungen sind wie im Datenblatt 
angegeben.

[Jonas G. (jstjst)]

Ich meinte die Kunststoffteile in den Kindle an denen man die Platine 
befestigen könnte

[Nick K. (nick-tech)]

Jetzt weiß ich was du meinst.

Die Mittelpunktskoordinaten der Bohrungen (mm):
             X   Y
links unten  0   0
rechts unten 40  0
links oben   0   27
rechts oben  36  22

Die Bohrungen haben alle 1mm Durchmesser

Platzmäßig stehen von der Auflagefläche der "Haltebolzen" nach unten 3mm 
zur Verfügung. Nach oben bis zum Deckel des Kindles noch etwas mehr als 
1mm. Wenn sich der Deckel etwas wölbt auch ein bisschen mehr.
Die Platine müsste auf jeden Fall so gestaltet sein, dass die Bauteile 
nach unten zeigen.

Viele Grüße,
Christoph

[Jonas G. (jstjst)]

Ich würde das eher so machen, dass die Löcher in der Platine über die 
Bolzen(das Wort hab ich gesucht) gestülpt werden. So wie bei der 
Original Platine. Dann können die Bauteile auch oben liegen.

Knapp 1mm wird die Platine wegnehmen.
Bleiben als maximal 3,5mm für die Bauteile. Sollte alles kein Problem 
sind bis auf die Spule. Aber auch hier wird sich eine Lösung finden.

Gruß Jonas

[Nick K. (nick-tech)]

Hallo Jonas,

ja, das müsste so klappen. Der Bolzen oben rechts ist halt schon von 
einer Platine umgeben, da ist also weniger Platz. Aber das sieht man ja 
auf dem Foto.

Viele Grüße,
Christoph

[Jonas G. (jstjst)]

Irgendwas passt mit deiner Zeichnung nicht. Wenn ich in Y Richtung links 
schaue sind es 30, rechts sind es 33?
Ich brauche auch noch den Außendurchmesser der Bolzen und deren Position 
in der Zeichnung bzw. zum Rand.

Gruß Jonas

[Nick K. (nick-tech)]

Hallo Jonas,

ich hab noch mal eine Zeichnung gemacht. Dort wo die Linien gestrichelt 
sind, steht über den Rand der Bolzen noch knapp ein mm Raum zur 
Verfügung. Die Platine muss da also schon sehr schmal sein, wenn Sie 
über die Bolzen drüber geschoben werden soll. Dort wo die Linie 
durchgezogen ist, ist schon Platine. Die Maße dort sind bezogen auf den 
Bolzen oben rechts.

Wenn du mir mal ein Muster schickst, kann ichs ja mal ausdrucken und 
probieren ob das passt.

Viele Grüße,
Christoph

[Jonas G. (jstjst)]

Hier wäre mal mein Muster

Gruß Jonas

[Nick K. (nick-tech)]

Hallo Jonas,

ich habs mal ausgedruckt und eingepasst. Passt fast perfekt.

Ein paar kleine Änderungen müsste man noch machen, sonst wird das sehr 
knapp:

Das Maß oben 32,5 auf 30 mm verkleinern,
das Maß links von 32 auf 31mm verkleinern,
das Maß unten von 45 auf 43mm verkleinern.

Die Maße der Bolzen passen. Kommst du mit dem Platz noch zurecht?

Vielen Dank,
Christoph

[Christoph K. (christoph1024)]

Ich hab den SPV 1040 schon ewig hier herumliegen, nach dem Thread wollte 
ich dann doch einmal sehen, was er taugt.

Ich habe mit der Designsuite eine Schaltung für folgende Parameter 
ausrechnen lassen:
Vmp - 2V
Output für LiFePo4=3,6V, da ich aber keinen 360kOhm -Widerstand dahatte, 
habe ich einen 390K (real gemessen 370k) verwendet und damit liegt Uout 
bei 3,56V.
Imp=1,6A
Iout 800

Ich hatte 6 2V 300mA Solarzellen aus China hier liegen, die liefern 
leider nur ca. 200mA und der Vmp sinkt auf 1,88V im Betrieb, weil sich 
die Zellen bei den aktuellen 23°C Lufttemperatur auf 55°C erhitzen.
Alle 6 parallel liefern zusammen zur Zeit 1,1A max.

Ich habe den Cout deutlich größer gemacht um den Ripple zu minimieren, 
auch die Spule ist etwas größer als vorgeschlagen.

Ich habe eine Schaltung auf einer TSSOP8-DIL Adapterplatine aufgebaut.
Es funktioniert soweit ganz gut, wobei ich die ESD-Schutzdiode erstmal 
weggelassen habe. Die konfigurierten 3,56V Ausgangsspannung werden nicht 
so richtig eingehalten, es ging bis auf 3,59V hoch, danach fangen die 
DMM`s an zu springen, scheint ein an/aus Regelkonzept zu sein, dass der 
SPV statt C/V verfolgt. Merkwürdiges Verhalten, hätte ich bei einem 
Schaltregler nicht erwartet.  EDIT: Das könnte allerdings auch mit der 
Schutzschaltung der LiFePo4 zusammenhängen.

Ich somit erstmal keinen Grund, einen LiFePo4 mit Schutzschaltung nicht 
direkt an den SPV zu hängen. Eine Ladeschaltung habe ich mir also 
gespart.

Die Querschnitte sind noch nicht so optimal im Testaufbau, der wie zu 
sehen Muster Quick and Dirty ist.
Ich habe die Spannungen in der Mitte der Leitungen gemessen, sicher 
nicht optimal und garantiert mit negativer Auswertung auf die 
ermittelten Effizienzwerte.

Herausgekommen sind die Meßwerte im angehängten Bild.

Der SPV tracked den Mpp recht schnell, hängt der 
Zellentemperaturänderung bei Wolke/ Sonnenwechsel aber hinterher. Das 
geht nämlich relativ fix, 10° Änderung in unter einer Minute ist locker 
drin.

Bei 0,5A Iout / 2W Pout grade mal 80% Wirkungsgrad ist ernüchternd, auch 
wenn man die Meßfehler berücksichtigt.

Wenn man nur kleine Zellen dranhängt, gehts bei 1W Richtung 90%, bei 
0,2W sogar 95%, wobei das Meßsetup hier sicher einen größeren Fehler 
liefert.

Die Frage ist, ob sich für deinen Anwendungsfall der SPV überhaupt 
lohnt.

Für mich definitiv nicht. Wenn ich für meine LiFePo4 auf eine 
4V/2W-Zelle gehe und einen einfachen linearen Regler davorpacke, 
verliere ich schlechtestenfalls bei Akku leer, ca. 3V Spannung 1V =0,5W 
oder 25%. Realistischerweise in Betracht der 
LiFePo4-Ladekurvencharakteristik wird die Spannung schnell bei 3,2V 
landen, im weiten Ladebereich linear auf 3,4V steigen und danach gegen 
Ende steil auf 3,6V ziehen.
Im Mittel wird der Ladevorgang bei 3,3V ablaufen. Zieht man dann noch 
einen realen Vmp von 3,8V durch Zellerwärmung in Betracht, verliert man 
im Mittel 0,5V bei 0,5A, also 0,25W oder 12%. Damit stehe ich insgesamt 
mit einer viel einfacheren, kleineren und billigeren Schaltung 8% besser 
da als mit dem SPV1040.
Die MPPT-Trackingfunktion ist natürlich ein Bonus, aber ich bin in etwa 
ähnlich ernüchtert wie beim LT3652.
Ich habe hier ein paar 3-5A "Mppt"-Buck-Platinen aus China, die arbeiten 
wie der LT3652 mit einstellbarer Eingangsspannung, liefern jedoch im 
Gegensatz zum LT3652 (82%max) satte 94-96% Wirkungsgrad.

[Jonas G. (jstjst)]

Also ich melde mich auch mal wieder:

Ich hab deine Änderungen soweit drin, nur die 43mm konnte ich nicht 
einhalten, da sonst die Löcher auf dem Platinenrand liegen würden.

Nach dem Kommentar von Christoph würde ich jetzt den Laderegler komplett 
weglassen. Schadet nur dem Wirkungsgrad und ich hab mehr zu layouten.

Der Platz reicht mir, ich würde die Schaltung locker zwei mal drauf 
bekommen.

Wenn wir das in den nächsten zwei Wochen fertig bekommen kann ich dir 
die Platinen mitbestellen. Ich muss da eh bei elecrow bestellen und hab 
noch Platz auf meinem Board.

Gruß Jonas

[Nick K. (nick-tech)]

Hallo Jonas,

von mir aus können wir den Laderegler komplett weglassen. Ich werde dann 
eben mal extern ein paar Akkus laden und sehen wie sich das ganze 
verhält.

Wenn du das ganze auch noch ätzen lassen kannst wäre das natürlich 
absolut top. Das zahl ich dir natürlich!

Vielen Dank,
Christoph

[Jonas G. (jstjst)]

Ich habe jetzt mal die ungefähre Bauteilanordnung fertig.

Ich kann mit der Platinendicke bis auf 0,6mm runter, es bleiben also 
etwa 3,5mm für die Bauteile. Deine Spule würde dann ohne versenken 
passen, ich würde aber eher die von ST empfohlene Spule nehmen und in 
der Platine versenken. Du musst mir halt sagen ob die Position der Spule 
so mit den Rippen im Deckel passt.

Gruß Jonas