Pautas de Diseño de PCB para el Diseño de Sistemas Integrados de Energía Solar

¿Alguna vez te fuiste de vacaciones y sentiste que necesitabas otras inmediatamente después? Claro que sí, mis últimas vacaciones en la playa estuvieron completamente arruinadas por tormentas constantes. El clima impredecible siempre es siempre un dilema cuando planeo con anticipación mis próximas vacaciones, especialmente si se trata de actividades al aire libre.

Tengo la misma cautela cuando estoy diseñando sistemas empotrados con energía solar destinados a aplicaciones en exteriores. Es algo totalmente diferente a los sistemas integrados que funcionan con una fuente de alimentación regulada. Como de costumbre, aprendí a ser cauteloso a base de golpes, ya que mi primer prototipo con energía solar ni siquiera duró un día bajo la lluvia.

Hay muchos aspectos que debes considerar y planificar para garantizar que tu sistema integrado de energía solar continúe funcionando durante días sin luz solar.

Variables a considerar al diseñar sistemas empotrados de energía solar

1. Paneles Solares

No hace falta decir que el panel solar es la parte más crítica de un sistema de energía solar. La opción preferida de los paneles solares es monocristalina, ya que es más eficiente que la película policristalina o delgada, y se desempeña bien en climas cálidos. Hay paneles que pueden convertir hasta un 22% de la luz solar en electricidad. Dicho esto, la eficiencia energética de los monocristalinos y policristalinos puede variar según el proveedor, por lo que es bueno confirmar estos detalles con anticipación.

2. Capacidad de la Batería

Cuando se trata de un sistema integrado de energía solar, un parámetro importante es la duración del sistema cuando el panel solar se reduce a un 0% de eficiencia. Los factores ambientales pueden hacer que tu panel solar no reciba luz solar durante días o semanas. Necesitarás una batería que tenga una capacidad adecuada, y también deberás asegurarte de que la tasa de carga del panel solar sea superior a la tasa de uso de la batería. No es muy eficiente si tarda 5 horas en cargar la batería y solo 2 horas para que el sistema la descargue.

3. Exposición a la Luz Solar

En cierto modo, la tecnología solar es bastante sencilla. Sin luz solar, no se genera electricidad. Sin embargo, tener 8 horas de luz no significa necesariamente que tu panel solar esté produciendo electricidad de manera eficiente durante 8 horas. Existe otro término llamado “horas pico de sol” en el que el sol está en su punto más alto en el cielo y cuando tu panel solar está en su máxima eficiencia energética.

4. Bloqueo y Polvo

Hubo un momento en que una de nuestras máquinas de estacionamiento de espacio abierto con energía solar se quedó sin energía. Después de horas de revisar cada pieza del hardware, nos dimos cuenta de que la máquina estaba instalada debajo de un árbol y las sombras se superponían a una parte del panel solar. La eficiencia de los paneles solares puede reducirse drásticamente si una pequeña parte está bloqueada por el polvo, las sombras u hojas caídas. Por eso es bueno planificar tu guía de diseño de energía solar específicamente para la ubicación en la que se utilizará.

^{Una sola hoja puede reducir la eficiencia de un panel solar cerca del cero por ciento.} 

5. Módulo de Potencia Intensiva

Los módulos de uso intensivo de energía harán que la batería se agote más rápido. Sin embargo, ciertas aplicaciones requieren módulos de alto consumo de energía como impresoras térmicas, WiFi o un modulo GSM. Si este es el caso, es necesario comprender y predecir el uso de energía del módulo para que puedas calcular la capacidad del panel solar y la batería. Por ejemplo, es posible que un sistema solo necesite activar el módulo GSM dos veces al día para transmitir la información al centro de datos. El cálculo correcto del tamaño estimado de los datos y la velocidad de transmisión proporcionará una cifra de la cantidad de energía que se consumirá durante la transmisión.

6. Arquitectura de Firmware

Si bien los programadores de firmware tienen el lujo de llevar los microcontroladores al límite en aplicaciones que no funcionan con energía solar, la energía solar hace que este sea un proceso más delicado. Tómate el tiempo para obtener la estructura de firmware correcta. Puede hacer que tu sistema integrado de energía solar dure semanas en lugar de días con tiempo nublado. El mejor enfoque para desarrollar firmware para un sistema con energía solar es poner el microcontrolador en modo de suspensión profunda cuando no esté en uso. El microcontrolador solo se activará de su modo de suspensión profunda mediante interrupciones seleccionadas o temporizadores programados.

7. Diseño de Hardware Energéticamente Eficiente

Es esencial minimizar la corriente inactiva cuando estás diseñando hardware para un sistema integrado con energía solar. El ahorro de 1 mA puede ser insignificante en un sistema que no funciona con energía solar, pero en un sistema solar, puede extender el tiempo operativo en un día nublado. Una buena estrategia es proporcionar un canal de alimentación independiente para las lógicas y los circuitos integrados periféricos controlados por el microcontrolador. Esto elimina el consumo innecesario de energía cuando el sistema no está en uso, independientemente del modo de operación de los microcontroladores.

^{Los mejores sistemas integrados con energía solar consumen energía mínima cuando están inactivos.}

Por qué necesitarás Analizar tu red de suministro de energía

Cuando estés atrapado en el desierto, te darás cuenta de lo valiosa que es el agua, especialmente cuando estás casi en tu última gota. El mismo principio se aplica a la eficiencia de la energía en los sistemas integrados de energía solar. Un análisis de la red de entrega de energía () te permite evaluar si los rastros de cobre en la PCB son suficientes para entregar energía de manera eficiente a la carga. Querrás evitar espacios estrechos de cobre o vías que sean demasiado pequeños entre los planos de cobre. Esto dará lugar a pérdidas resistivas y genera calor innecesario. Puedes evitar este potencial desperdicio de energía en la fase de diseño, por lo que vale la pena aprovechar esta función si tu software lo proporciona.

Si estás diseñando un sistema integrado con energía solar, las herramientas integradas como el PDN Analyzer^™ de Altium ayudarán a garantizar que tu diseño no exceda su presupuesto de energía antes de ser fabricado.

¿Necesitas más ayuda para diseñar un sistema embebido con energía solar? Contacta a un experto en Altium.