태양광 구동 임베디드 시스템 설계를 위한 PCB 설계 지침

휴가를 갔다가 바로 또 휴가가 필요하다고 느낀 적이 있나요? 저는 그랬어요, 마지막 해변 휴가는 끊임없는 천둥번개로 완전히 망쳐졌죠. 예측 불가능한 날씨는 특히 야외 활동이 포함된 다음 휴가를 계획할 때 항상 딜레마입니다.

야외용으로 설계된 태양광을 이용한 임베디드 시스템을 설계할 때도 같은 신중한 접근 방식을 취합니다. 이는 규제된 전원 공급 장치에서 작동하는 임베디드 시스템과는 완전히 다른 문제입니다. 평소처럼, 저는 첫 태양광 프로토타입이 비를 맞고 하루도 못 가서 배운 쓴 경험을 통해 신중해졌습니다.

태양광을 이용한 임베디드 시스템이 햇빛 없이도 며칠간 계속 작동하도록 보장하기 위해 고려하고 계획해야 할 여러 가지 측면이 있습니다.

태양광 임베디드 시스템을 설계할 때 고려해야 할 변수들

1. 태양광 패널

태양광 시스템에서 태양광 패널은 가장 중요한 부분임은 두말할 나위 없습니다. 단결정이 다결정이나 박막보다 효율적이며 더운 날씨에서도 잘 작동하기 때문에 선호되는 태양광 패널의 선택입니다. 태양광을 전기로 변환할 수 있는 패널도 있으며, 최대 22%까지 가능합니다. 그렇다고 해도, 단결정과 다결정의 에너지 효율은 공급업체에 따라 다를 수 있으므로, 이러한 세부 사항을 사전에 확인하는 것이 좋습니다.

2. 배터리 용량

태양광을 이용한 임베디드 시스템에서 중요한 파라미터 중 하나는 태양광 패널의 효율이 0%로 떨어졌을 때 시스템이 지속될 수 있는 기간입니다. 환경적 요인으로 인해 태양광 패널이 며칠이나 몇 주 동안 태양광을 전혀 받지 못할 수 있습니다. 충분한 용량의 배터리가 필요하며, 태양광 패널의 충전 속도가 배터리의 사용 속도보다 높아야 합니다. 배터리를 충전하는 데 5시간이 걸리고 시스템에 의해 2시간 만에 방전된다면 그다지 효율적이지 않습니다.

3. 일조량

태양 에너지 기술은 어떤 면에서는 꽤 단순합니다. 햇빛이 없으면 전기가 생성되지 않습니다. 하지만, 8시간의 일광이 있다고 해서 꼭 태양광 패널이 8시간 동안 효율적으로 전기를 생산한다는 의미는 아닙니다. "피크 선 시간"이라는 다른 용어가 있습니다. 이는 태양이 하늘에서 가장 높이 있고 태양광 패널이 가장 에너지 효율이 높은 시간을 말합니다. 이 변수를 인식하고 자신의 피크 선 시간을 계산하는 것이 좋습니다.

4. 가림과 먼지

한 번은 우리의 태양광을 이용한 야외 주차 기계가 계속해서 전력이 부족해지는 문제가 있었습니다. 모든 하드웨어를 수시간 동안 점검한 후, 기계가 나무 아래에 설치되어 있고 그림자가 태양광 패널의 일부를 가리고 있다는 것을 깨달았습니다. 태양광 패널의 효율은 먼지, 그림자 또는 떨어진 잎사귀로 인해 작은 부분만 가려져도 크게 감소할 수 있습니다. 그래서 사용될 위치에 특별히 맞춤화된 태양 에너지 설계 가이드를 계획하는 것이 좋습니다.

단 하나의 잎사귀로 태양광 패널의 효율이 거의 0%까지 떨어질 수 있습니다.

5. 전력 집약 모듈

전력 집약적 모듈은 배터리의 소모를 빠르게 할 것입니다. 그러나 특정 애플리케이션은 열 프린터, WiFi 또는 GSM 모듈과 같은 전력 집약적 모듈을 요구합니다. 이 경우 모듈의 전력 사용량을 이해하고 예측하여 태양광 패널과 배터리의 용량을 계획할 필요가 있습니다. 예를 들어, 시스템이 하루에 두 번 GSM 모듈을 활성화하여 데이터 센터로 정보를 전송하기만 하면 될 수 있습니다. 데이터의 예상 크기와 전송 속도를 정확히 계산하면 전송 중에 소비될 전력량을 알 수 있습니다.

6. 펌웨어 아키텍처

태양광이 아닌 애플리케이션에서 마이크로컨트롤러를 한계까지 밀어붙일 수 있는 펌웨어 프로그래머들에게는, 태양광은 이 과정을 더 섬세하게 만듭니다. 올바른 펌웨어 구조를 얻기 위해 시간을 투자하세요. 이는 흐린 날씨에도 태양광으로 구동되는 임베디드 시스템이 며칠이 아닌 몇 주 동안 지속될 수 있게 만들 수 있습니다. 태양광 시스템을 위한 펌웨어를 개발하는 최선의 접근 방식은 사용하지 않을 때마다 마이크로컨트롤러를 깊은 수면 모드로 전환하는 것입니다. 마이크로컨트롤러는 선택된 인터럽트나 예약된 타이머에 의해서만 깊은 수면 모드에서 깨어납니다.

7. 전력 효율적인 하드웨어 디자인

태양광으로 구동되는 임베디드 시스템을 설계할 때는 유휴 전류를 최소화하는 것이 필수적입니다. 1mA를 절약하는 것은 비태양광 시스템에서는 중요하지 않을 수 있지만, 태양광 시스템에서는 흐린 날의 작동 시간을 연장할 수 있습니다. 좋은 전략은 마이크로컨트롤러에 의해 제어되는 로직과 주변 IC에 별도의 전력 채널을 제공하는 것입니다. 이는 시스템이 사용되지 않을 때 마이크로컨트롤러의 작동 모드에 관계없이 불필요한 전력 소비를 없애줍니다.

최고의 태양광 임베디드 시스템은 유휴 상태일 때 최소한의 전력을 소비합니다.

전력 전달 네트워크를 분석해야 하는 이유

사막에 갇혔을 때, 특히 마지막 한 방울의 물이 거의 다 됐을 때, 물이 얼마나 소중한지 깨닫게 됩니다. 태양광 임베디드 시스템의 전력 효율성에도 같은 원칙이 적용됩니다. 전력 전달 네트워크(PDN) 분석을 통해 PCB상의 구리 트레이스가 부하에 효율적으로 전력을 전달하기에 충분한지 평가할 수 있습니다. 구리 평면 사이에 너무 좁은 구리 공간이나 너무 작은 비아를 피하고 싶을 것입니다. 이는 저항 손실을 일으키고 불필요한 열을 발생시킵니다. 이러한 전력 낭비 가능성을 설계 단계에서 방지할 수 있으므로, 소프트웨어가 이 기능을 제공한다면 이를 활용하는 것이 좋습니다.

태양광으로 구동되는 임베디드 시스템을 설계하고 있다면, Altium의 PDN Analyzer^™와 같은 내장 도구가 제조 전에 설계가 전력 예산을 초과하지 않도록 도와줄 것입니다.

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