PCB-Designrichtlinien für den Entwurf solarbetriebener eingebetteter Systeme

Waren Sie jemals im Urlaub und haben sich danach sofort wieder urlaubsreif gefühlt? Ich kann es Ihnen wirklich nachfühlen, denn mein letzter Strandurlaub ging wegen ständiger Gewitter völlig daneben. Unvorhersehbares Wetter ist bei der Planung des nächsten Urlaubs immer ein Problem, besonders wenn es um Aktivitäten im Freien geht.

Genauso vorsichtig gehe ich es an, wenn ich solarbetriebene eingebettete Systeme entwerfe, die für Anwendungen im Freien vorgesehen sind. Es ist etwas völlig anderes als das Design eingebetteter Systeme, die von einer geregelten Stromversorgung gespeist werden. Wie üblich wurde ich aus Schaden klug, denn mein erster solarbetriebener Prototyp hielt im Regen noch nicht einmal einen Tag durch.

Es gibt vieles zu bedenken und zu planen, wenn Ihr solarbetriebenes eingebettetes System auch ohne Sonnenlicht lange zuverlässig funktionieren soll.

Zu berücksichtigende Variablen beim Entwurf solarbetriebener eingebetteter Systeme

1. Solarmodule

Es versteht sich von selbst, dass die Solarmodule der kritischste Teil eines solarbetriebenen Systems sind. Monokristalline Module sind die erste Wahl , weil sie effizienter sind als polykristalline oder Dünnschichtmodule und auch bei heißem Wetter gut funktionieren. Es gibt Solarmodule, die bis zu 22 % des Sonnenlichts in Strom umwandeln können. Davon abgesehen kann die Effizienz von monokristallinen und polykristallinen Solarmodulen je nach Lieferant unterschiedlich sein. Es wäre also besser, diese Details vorab zu klären.

2. Akkukapazität

Ein wichtiger Parameter bei einem solarbetriebenen eingebetteten System ist die Funktionsdauer des Systems, wenn die Effizienz des Solarmoduls auf 0 % sinkt. Umweltfaktoren können dazu führen, dass Ihr Solarmodul tage- oder gar wochenlang kein Sonnenlicht bekommt. Sie benötigen einen Akku mit ausreichender Kapazität und müssen auch sicherstellen, dass die Laderate des Solarmoduls höher als die Verbrauchsrate des Akkus ist. Es ist nicht besonders effizient, wenn das Aufladen des Akkus 5 Stunden dauert und das System ihn dann in nur 2 Stunden wieder entlädt.

3. Sonneneinstrahlung

In gewisser Weise ist Solartechnik ziemlich einfach. Ohne Sonnenlicht wird kein Strom erzeugt. Allerdings bedeuten 8 Stunden Tageslicht nicht notwendigerweise, dass Ihre Solaranlage 8 Stunden lang effizient Strom produziert. Es gibt den Begriff der ,,vollen Sonnenstunden“, wenn die Sonne am höchsten am Himmel steht und Ihre Solaranlage am effizientesten ist. Es wäre gut, sich diese Variablen bewusst zu machen und zu berechnen, wie viele volle Sonnenstunden Ihnen zur Verfügung stehen.

4. Verschattung und Staub

Wir hatten einmal einen solarbetriebenen Parkautomaten, dem ständig der Strom ausging. Nach stundenlangem Überprüfen jedes einzelnen Hardwarebauteils entdeckten wir, dass er unter einem Baum stand, der einen Teil des Solarmoduls beschattete. Die Effizienz eines Solarmoduls kann sich drastisch reduzieren, wenn auch nur ein kleiner Teil durch Staub, Schatten oder ein heruntergefallenes Blatt verdeckt wird. Deshalb ist es ratsam, Ihr Design speziell für den Standort zu planen, an dem es eingesetzt wird.

Ein einzelnes Blatt kann die Effizienz eines Solarmoduls auf nahezu null Prozent reduzieren.
 

5. Funktionen mit hohem Stromverbrauch

Funktionen mit hohem Stromverbrauch entladen den Akku schneller, aber dennoch sind bestimmte Anwendungen auf solche Funktionen wie etwa Thermodrucker sowie WLAN‑ oder GSM-Module angewiesen. In diesem Fall ist es notwendig, den Stromverbrauch der betreffenden Funktion zu untersuchen und vorherzusagen, damit Sie die Kapazität des Solarmoduls und des Akkus entsprechend planen können. Zum Beispiel kann es sein, dass ein System das GSM-Modul nur zweimal täglich aktivieren muss, um Informationen an ein Rechenzentrum zu übermitteln. Eine korrekte Berechnung der voraussichtlichen Datenmenge und der Übertragungsrate liefert eine Aussage über den Energieverbrauch während einer Übertragung.

6. Firmware-Architektur

Während Firmware-Programmierer den Luxus haben, in nicht solarbetriebenen Anwendungen die Mikrocontroller an ihre Grenzen bringen zu können, ist das bei Solarstromversorgung etwas heikler. Nehmen Sie sich die Zeit, um die richtige Firmware-Struktur hinzubekommen. Dies kann sich dadurch auszahlen, dass Ihr solarbetriebenes eingebettetes System bei bewölktem Wetter Wochen anstatt Tage durchhält. Der beste Ansatz bei der Entwicklung von Firmware für ein solarbetriebenes System ist, den Mikrocontroller immer, wenn er nicht benutzt wird, in den Tiefschlafmodus zu versetzen. Der Mikrocontroller wird dann nur durch ausgewählte Interrupts oder geplante Timer-Ereignisse aus seinem Tiefschlafmodus erwachen.

7. Energieeffizientes Hardwaredesign

Wenn Sie Hardware für ein solarbetriebenes eingebettetes System entwerfen, ist es unerlässlich, die Stromaufnahme im Leerlaufzustand zu minimieren. Das Einsparen von 1 mA mag in einem nicht solarbetriebenen System unbedeutend sein, doch in einer solarbetriebenen Anwendung kann es an einem bewölkten Tag die Betriebsdauer verlängern. Eine sinnvolle Strategie ist das Bereitstellen einer separaten Stromversorgung für Logikschaltungen und periphere ICs, die vom Mikrocontroller gesteuert werden. Dies vermeidet unnötigen Stromverbrauch, wenn das System nicht in Betrieb ist – unabhängig von der Betriebsart des Mikrocontrollers.

Die besten solarbetriebenen eingebetteten Systeme verbrauchen im Leerlauf nur ein Minimum an Energie.
 

Warum Sie Ihr Stromversorgungs-Netzwerk analysieren müssen

Wenn Sie in einer Wüste festsitzen, erkennen Sie, wie kostbar Wasser ist – besonders wenn Sie fast bei Ihrem letzten Tropfen angelangt sind. Das gleiche Prinzip gilt für die Energieeffizienz solarbetriebener eingebetteter Systeme. Eine Analyse des Stromversorgungsnetzwerks (Power Delivery Network, PDN) ermöglicht Ihnen zu bewerten, ob die Kupfer-Leiterbahnen auf dem PCB für die effiziente Übertragung von Energie zur Last geeignet sind. Sie sollten schmale Kupferbereiche oder zu kleine Durchkontaktierungen zwischen den Kupfer-Lagen vermeiden. Diese würden zu ohmschen Verlusten und damit zu unnötiger Wärmeentwicklung führen. Sie können diese potenzielle Energieverschwendung schon beim Design verhindern. Es lohnt sich also, diese Funktion zu nutzen, wenn Ihre Software sie anbietet.

Wenn Sie ein solarbetriebenes eingebettetes System entwerfen, sorgen integrierte Tools wie der PDN Analyzer von Altium dafür, dass Ihr Design sein Energiebudget nicht überschreitet, noch bevor es gefertigt wird.

Brauchen Sie noch mehr Hilfe beim Entwurf eines solarbetriebenen eingebetteten Systems? Dann kontaktieren Sie am besten einen Experten bei Altium.