Bildergalerie
Bild 1: Blockschaltbild des SPV1040 in einer Solar-USB-Ladeschaltung.
Bild 2: Flussdiagramm des P&O-Algorithmus.
Bild 3: Ansicht des Power-Packs.
Bild 4: Blockschaltbild des Power-Packs.
Bild 5: Transil-Klemmdiode.

Solarzellen in Kleingeräte integrieren

Solar-Panels werden in den unterschiedlichsten Formaten angeboten. Die Tendenz geht dahin, Solarzellen in Kleingeräte zu integrieren, um die eingebaute Batterie zu entlasten und für eine längere Laufzeit zu sorgen. Je effizienter die Solarzellen selbst und die Wandlertechnik werden, umso mehr Energie lässt sich auf immer kleinerer Fläche erzeugen, bis es schließlich sogar möglich sein wird, viele Consumer-Geräte ausschließlich mit Energie aus Sonnenlicht aufzuladen.

Die Solarenergie stellt eine überaus praktische Ergänzung zu den bestehenden Energiequellen dar. Auch in Consumer-Produkte oder tragbare Geräte lassen sich Solarzellen integrieren, sofern man entsprechend intelligente Designs verwendet. Man macht die Geräte damit unabhängiger vom Wiederaufladen an der Steckdose, und insofern ist diese Technik ideal für den Einsatz an Orten geeignet, an denen keine Elektrizität verfügbar ist. Obwohl sie heute noch recht teuer sind, werden Solar-Panels doch immer erschwinglicher, zumal speziell für entlegene Gebiete häufig staatliche Zuschüsse gewährt werden.

Das Konzept, die verfügbare Solarenergie per Maximum Power Point Tracking (MPPT) zu optimieren, wird von ST für verschiedene Stromversorgungs-Anwendungen genutzt. Consumer-Elektronik begnügt sich meist mit wenigen Watt, und viele Geräte aus diesem Segment werden über den USB-Port geladen. Die Standardisierung auf die USB-Spannung bietet hier die Gelegenheit zur Entwicklung von immer mehr Ladegeräten, die diesem Format und diesen Spannungsanforderungen entsprechen. Das Aufladen per Solarstrom dauert lange, und genau dies bringt das Problem mit sich, dass die Geräte während des Tages möglichst lange dem Sonnenlicht ausgesetzt werden müssen. Dies aber ist nicht immer praktikabel, so dass meist eine Pufferbatterie nötig sein wird.

In diesem Beitrag geht es um die Lösung, die ST für diese Anforderungen anbietet. Das Unternehmen hat dazu eine Low-Power-MPPT-Funktion direkt in seinen für Consumer-Elektronik vorgesehenen Baustein des Typs SPV1040 integriert. Mit nur wenigen zusätzlichen Bauelementen ist es mit diesem IC möglich, Schaltungen für die direkte Versorgung eines Geräts oder das Aufladen eines Akkusatzes aus der Solarzelle zu realisieren.

Solar-USB-Ladegeräte eignen sich zum Aufladen von Mobiltelefonen, PMPs, PDAs, eBook-Readern und allen möglichen anderen Geräten mit USB oder Mini-USB-Interface. Besonders nützlich können sie in folgenden Situationen sein: Während Konferenzen oder Ganztagssitzungen, wenn keine Steckdose zugänglich ist, für Camping und Picknick, bei Ausfall der Netzstromversorgung sowie nach Naturkatastrophen.

Gegenwärtig werden alle diese Geräte typischerweise mit einer Spannung von 5 V bis 5,5 V geladen. Die Spannung, die zum Laden an diese Geräte gelegt wird, sollte deshalb diese Spannung nicht überschreiten. Der Strom ist je nach der Kapazität des Akkus unterschiedlich hoch, in der Regel aber auf 500 mA begrenzt. Das Solar-Panel kann ästhetisch in einem Faltgehäuse mit USB-Ausgang zum Laden der Kleingeräte untergebracht werden. Die hierbei zum Einsatz kommende Elektronik sollte einerseits möglichst kompakt sein, andererseits aber alle erforderlichen Schutzfunktionen enthalten, damit eine möglichst lange Lebensdauer erzielt wird. Ein auf dem SPV1040 von STMicroelectronics basierender Boost-Wandler (Hochsetzsteller) mit integrierter MPPT-Funktion wurde eigens mit den nötigen Schutzfunktionen für das Laden von Consumer-Kleingeräten entwickelt.

Eigenschaften des SPV1040

Der SPV1040 ist im Prinzip ein Niedervolt-Gleichspannungswandler mit hohem Wirkungsgrad und geringer Leistungsaufnahme, der eine Ausgangsspannung bis zu 5,2 V erzeugt (Bild 1). Der Baustein läuft garantiert bei Spannungen ab 0,3 V an und regelt den MPP, während bei fallender Eingangsspannung der Baustein unterhalb 0,45 V nicht mehr taktet und die Eingangsspannung (minus des Spannungsabfalls an der intrinsischen Diode des MOSFETs) direkt auf den Ausgang gegeben wird, ohne den MPP auszuregeln. Der SPV1040 arbeitet mit einer konstanten Schaltfrequenz von 100 kHz im PWM-Betrieb (Pulsbreitenmodulation) und ist als Hochsetzsteller in der Lage, ein Maximum an Energie aus einer geringen Anzahl polykristalliner oder amorpher Solarzellen herauszuholen. Das Tastverhältnis wird von einer integrierten Funktionseinheit geregelt, die mit einem MPPT-Algorithmus arbeitet, um die Ausgangsleistung des Panels zu maximieren, indem dessen Ausgangsspannung und  -strom fortlaufend verfolgt werden. Der Punkt maximaler Leistung, also der Maximum Power Point (MPP), ist jener Arbeitspunkt der PV-Zelle, bei dem das Produkt aus Spannung und Strom sein Maximum aufweist. Anders ausgedrückt, wird der Lastwiderstand stets dem jeweiligen Quellwiderstand des Panels angepasst.

Die Sicherheit sowohl des Wandlers selbst als auch der gesamten Applikation garantiert der SPV1040, indem er den PWM-Betrieb unterbricht, sobald Überstrom oder Übertemperatur erreicht werden. Der MPPT-Algorithmus arbeitet nach der P&O-Methode (Perturb and Observe; dt.: Perturbation und Beobachtung), die aufgrund ihrer Einfachheit die größte Verbreitung hat. Ein Flussdiagramm zu dieser iterativen Methode ist in Bild 2 zu sehen. Der Algorithmus variiert die Spannung um einen definierten Betrag (Perturbation), berechnet anschließend die Leistung und vergleicht diese mit der Leistung, die mit dem vorigen Spannungswert erzielt wurde (Beobachtung). Ist die Leistungsdifferenz ΔP größer als Null, wird die neue Spannung beibehalten und im nächsten Schritt weiter in derselben Richtung verändert. Anderenfalls wird die Spannung in der anderen Richtung verändert.

Die MPP-Spannung wird für den SPV1040 mithilfe eines einfachen Spannungsteilers festgelegt und richtet sich nach dem jeweiligen Panel. Ist der MPP einmal festgelegt und für die Rückkopplung von Ausgangsspannung und Strom gesorgt, übernimmt der Baustein das MPP-Tracking automatisch. Nachfolgend einige wichtige Richtlinien zum Design:

  • Unter dem Baustein sollten mit Masse verbundene Vias angeordnet werden, um die Wärmeableitung zu begünstigen.
  • Um die Spannungs- und Stromwelligkeit, Probleme durch hochfrequente Schwingungen sowie elektromagnetische Interferenzen zu minimieren, kommt es darauf an, Pfade mit hochfrequenten Strömen möglichst kurz zu halten.
  • Breite Leiterbahnen für hohe Stromstärken und eine ausgedehnte Massefläche wirken störungsmindernd und fungieren nebenbei als effiziente Wärmeableitung.
  • Ausgangs- und Eingangskondensatoren sollten möglichst nah am Baustein platziert werden.
  • Die externen Spannungsteiler sollten in möglichst geringer Distanz zu den VMPP-SET und VCTRL-Pins des Bausteins angeordnet sein und möglichst weit von Stromwegen mit hoher Stromstärke entfernt liegen, um das Einstreuen von Störungen zu verhindern.
  • Eine externe Schottky-Diode zwischen den Pins LX und VOUT ist in allen Anwendungen mit VBATT > 4,8 V zwingend notwendig. Die Spannung am Pin LX kann sogar über die absolute Spannungsobergrenze von 5,5 V hinaus ansteigen, denn am integrierten High-Side-Schalter fällt im Aus-Zustand (lückender Betrieb) eine Spannung ab, während der Strom vom Eingang zum Ausgang fließen muss.
  • Die Größe der Drossel hat Auswirkungen auf den maximal an den Verbraucher fließenden Strom. Der Sättigungsstrom der Drossel sollte größer sein als der maximale Spitzenstrom der Eingangsquelle (1,8 A). Als Sättigungsstrom wird deshalb ein Wert über 1,8 A empfohlen. Kleinere Induktivitätswerte garantieren eine schnellere Reaktion auf Lastwechsel. Zur Minimierung der ohmschen Verluste wird außerdem zum Einsatz von Drosseln mit geringem Serienwiderstand geraten.

Ein Ladegerät auf Basis des SPV1040 zeichnet sich durch geringen Bauteileaufwand und alle zuvor angeführten Eigenschaften aus. Eine typische Leiterplatte hat Abmessungen von 22 mm x 16 mm und ließe sich in einem USB-Stick mit einer typischen Größe von 35 mm x 20 mm unterbringen. Technische Daten eines typischen USB-Solarladegeräts sind: Ausgangsleistung 3 W (5 V, 600 mA), Wirkungsgrad (Elektronik insgesamt) > 90 %, Nennleistung des Solarpanels 3 W, Leerlaufspannung des Solarpanels 4,2 V, MPP-Spannung des Solarpanels (VMP) 3,1 V sowie Schutzfunktionen bei Überstrom und Übertemperatur.

Power-Pack für den Einsatz mit dem USB-Solarladegerät

Hierbei handelt es sich um eine Ergänzung zu dem oben erläuterten USB-Ladegerät. Die Lösung erweist sich als sehr praktisch, wenn sich ein Anwender auf Reisen befindet, Campingurlaub macht oder in ländlichen bzw. hügeligen Regionen unterwegs ist, in denen der Zugang zum Stromnetz schwierig oder gar nicht möglich ist. Das System besteht im Wesentlichen aus einem Lithium-Ionen-Akku von hinreichender Kapazität, einem DC/DC-Wandler zum Hochsetzen der nominell 3,7 V betragenden Akkuspannung auf die benötigte Ausgangsspannung von 5 V sowie einem Ladegerät (Bild 3). Wie man in Bild 4 sieht, setzt sich das System aus vier Hauptteilen zusammen: Einer Eingangsstufe, einem Ladegerät für eine Li-Ion-Zelle, einem als „Vorratstank“ dienenden Li-Ionen-Akku (typisch 3,7 V, 1800 mAh) und einem Hochsetzsteller zum Umwandeln der Akku-Ausgangsspannung in die vom Verbraucher benötigten 5 V.

Die Eingangsstufe

Hierbei handelt es sich meist um einen USB-Steckverbinder, damit ist der Eingang für eine Quelle auf typisch 5 V/500 mA ausgelegt. Diese Spannung wird in der Regel vom USB-Solarladegerät bereitgestellt, kann aber ebenso gut von einem USB-Netzteil oder einem anderen Netzteil mit USB-Stecker kommen. Hieraus folgt, dass in das System gewisse Schutzfunktionen integriert sein sollten, damit es größere Überspannungen oder das Vertauschen der Polarität am Eingang verkraftet. Fehlt eine solche Schutzfunktionen, wird die Zuverlässigkeit des Systems im praktischen Einsatz nicht garantiert sein.

Implementiert wurde die Eingangsstufe mit passiven Bauelementen: einer parallelgeschalteten Klemmdiode und einer in Reihe geschalteten selbstrückstellenden Sicherung. Letztere hat hier einen Nennstrom von 650 mA, während die Nennspannung der Klemmdiode 6,5 V beträgt. Man mag es für ausreichend halten, eine einfache Z-Diode für die Klemmfunktion zu verwenden, jedoch kann dies fehlschlagen, da eine Z-Diode nicht die nötige Stoßspannungsfestigkeit hat, um die bis zum Ansprechen der selbstrückstellenden Sicherung (Fr) anfallende Energie zu bewältigen. Transil-Klemmdioden sind dagegen eigens für diesen Zweck ausgelegt und verkraften diese Belastung (Bild 5).

Solange die Eingangsspannung kleiner ist als die Nennspannung der Klemmdiode, fließt durch diese nur ein vernachlässigbar geringer Strom von typisch 200 nA. Sobald jedoch die Eingangsspannung die Klemmspannung übersteigt, wird die Diode leitend. Der Strom steigt steil an und bewirkt, dass die selbstrückstellende Sicherung anspricht und den Stromkreis unterbricht. Auf diese Weise wird die Schaltung vor überhöhten, länger andauernden Spannungen am Eingang geschützt. Diese Schutzmaßnahme kann darüber hinaus in vielen weiteren Anwendungen, darunter auch das weiter oben beschriebene USB-Solarladegerät, als Schutzvorkehrung für den Eingang hinzugefügt werden.

Ladegerät für eine Li-Ion-Zelle

Um die Lebensdauer zu verlängern und Gefahren vom Anwender abzuwenden, müssen Li-Ion-Zellen mit großer Sorgfalt geladen werden. Eine präzise Überwachung und Regelung des Ladevorgangs ist unerlässlich. Die meisten Li-Ion-Akkus verfügen inzwischen über eingebaute Schutzfunktionen, um den Akku vor zu starker Entladung, andauernder Überlastung, Kurzschlüssen, Überhitzung usw. zu bewahren. Es gibt eine ganze Reihe Laderegler-ICs, die speziell für das Laden einer Li-Ion-Zelle ausgelegt sind.

Eine einfache Lösung ist der STBC08, der solo eingesetzt werden kann und sich gut für die hier vorliegende Anwendung eignet. Der Baustein ist typisch für einen Ladestrom von C/4 (also 400 mA für einen Akku mit 1600 mAh) programmiert. Der Regler arbeitet nach dem Konstantstrom/Konstantspannungs-Prinzip, benötigt weder einen externen Stromabtastwiderstand noch eine Sperrdiode und ist für die USB-Stromversorgungs-Spezifikationen ausgelegt. Ein interner Schaltungsteil, der den Strom bei zunehmender Sperrschichttemperatur abregelt, schützt den Baustein beim Einsatz mit hoher Leistung oder bei hohen Umgebungstemperaturen. Die Ladespannung ist fest auf 4,2 V eingestellt, während der Ladestrom mithilfe eines einzigen Widerstands zwischen den Pins PROG und GND programmiert werden kann.

Der Ladevorgang wird automatisch beendet, sobald der in den Akku fließende Ladestrom auf ein Zehntel des programmierten Werts zurückgegangen ist. Wird das externe Netzteil entfernt, schaltet der STBC08 ab, und es kann ein Strom von 2 µA vom Akku an den Baustein fließen. Der Chip lässt sich außerdem in einen Shutdown-Modus schalten, in dem sich die Stromaufnahme am ICC-Pin auf 25 µA verringert. Eine Ladestromüberwachung, eine Unterspannungs-Sperre und eine automatische Wiederaufladefunktion ergänzen den Funktionsumfang des Bausteins. Das Ende des Ladevorgangs und das Vorliegen der Eingangsspannung werden an zwei separaten Status-Pins signalisiert.

Der Hochsetzsteller

Bei der Versorgung von Verbrauchern wie etwa Mobiltelefonen, MP3-Playern usw.  ist es erforderlich, die Spannung standardmäßig auf 5 V zu halten. Die Li-Ionen-Zelle aber liefert nominell nur 3,7 V. Die Ausgangsspannung des Akkus muss also mit einem Hochsetzseller angehoben werden. Dieser muss zudem mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten, um die Lebensdauer des Akkus zu maximieren. Im vorliegenden Fall kommt ein L6920 mit integriertem Leistungsschalter und Synchrongleichrichter zum Einsatz. Der hocheffiziente Baustein benötigt nicht mehr als drei externe Bauelemente, um die Akkuspannung in die gewünschte Ausgangsspannung zu verwandeln. Der integrierte Synchrongleichrichter ist mit einem P-Kanal-MOSFET mit einem RDS(on) von 120 mΩ implementiert. Zur Anhebung des Wirkungsgrads wird mit variabler Schaltfrequenz gearbeitet. Um den Baustein auf eine Spannung von 5 V zu programmieren, ist lediglich der FB-Pin an Masse zu legen. Als Schutz vor länger andauernden Kurzschlüssen und Überlastungen ist am Ausgang ebenfalls ein Überlastungsschutz erforderlich, der sich mit einer selbstrückstellenden Sicherung implementieren lässt. Obwohl ein solcher Baustein eine Strombegrenzung bewirkt, wird die Zuverlässigkeit der Schaltung im praktischen Einsatz durch dieses passive Bauelement erheblich verbessert.

Das komplette System lässt sich leicht auf einer kleinen Leiterplatte unterbringen. Dank des hohen Wirkungsgrads und der geringen Abmessungen der wichtigsten Bauelemente können optimal dimensionierte Pads und Leiterbahnen auch die Wärmeableitung übernehmen. Der sorgfältige Einsatz einer Kupferfläche, die Verwendung von Stromversorgungs- und Masse-Leiterbahnen mit der richtigen Breite und die Anordnung von Wärmeableit-Pads mit Vias unterhalb der Bauelemente verbessern die Voraussetzungen für den Dauerbetrieb bei Nennleistung mit minimaler Wärmeentwicklung. Wann immer sich Leiterbahnen auf der Ober- und Unterseite überlappen, lässt sich der Wärmewiderstand mithilfe mehrerer Vias entscheidend verringern, was ein kompaktes Design ermöglicht. Die gesamte Schaltung lässt sich in einem wasserdichten Gehäuse unterbringen, wobei es nur zu einer geringen Wärmeerhöhung kommt.

Diese Abhandlung ist bewusst allgemein gehalten. Varianten der verwendeten Bauelemente mit abweichenden Nennspannungen und strömen können – abgestimmt auf die Anforderungen des Anwenders – verwendet werden. Die Li-Ion Ladeschaltung lässt sich auch mit diskreten Bauelementen und einem stromsparenden Mikrocontroller realisieren.