Diretrizes de Design de PCB para Projetar Sistemas Embarcados Alimentados por Energia Solar

Já foi de férias e sentiu que precisava de outra imediatamente a seguir? Eu com certeza, minhas últimas férias na praia foram completamente arruinadas por tempestades constantes. O tempo imprevisível é sempre um dilema quando estou planejando com antecedência para minhas próximas férias, especialmente se envolver atividades ao ar livre.

Eu adoto a mesma abordagem cautelosa quando estou projetando sistemas embarcados alimentados por energia solar destinados a aplicações externas. É uma fera totalmente diferente dos sistemas embarcados que funcionam com uma fonte de alimentação regulada. Como de costume, aprendi a ser cauteloso da maneira mais difícil, já que meu primeiro protótipo alimentado por energia solar não durou nem um dia na chuva.

Há muitos aspectos a considerar e planejar para garantir que seu sistema embarcado alimentado por energia solar continue funcionando por dias sem luz solar.

Variáveis a considerar ao projetar sistemas embarcados com energia solar

1. Painéis Solares

Não é segredo que o painel solar é a parte mais crítica de um sistema alimentado por energia solar. O monocristalino é a escolha preferida de painéis solares, pois é mais eficiente do que o policristalino ou o filme fino, e tem um bom desempenho em climas quentes. Existem painéis que podem converter até 22% da luz solar em eletricidade. Dito isso, a eficiência energética do monocristalino e do policristalino pode variar dependendo do fornecedor, então é bom confirmar esses detalhes com antecedência.

2. Capacidade da Bateria

Quando se trata de um sistema embutido alimentado por energia solar, um parâmetro importante é a duração do sistema quando a eficiência do painel solar é reduzida a 0%. Fatores ambientais podem fazer com que seu painel solar não receba luz solar por dias ou semanas. Você precisará de uma bateria com capacidade adequada, e também precisará garantir que a taxa de carregamento do painel solar seja maior do que a taxa de uso da bateria. Não é muito eficiente se levar 5 horas para carregar a bateria e apenas 2 horas para ela ser drenada pelo sistema.

3. Exposição à Luz Solar

De certa forma, a tecnologia solar é bastante direta. Sem luz solar, não é gerada eletricidade. No entanto, ter 8 horas de luz do dia não significa necessariamente que o seu painel solar esteja produzindo eletricidade de forma eficiente durante 8 horas. Existe outro termo chamado “horas de sol pico”, quando o sol está no seu ponto mais alto no céu e quando o seu painel solar está no seu nível mais eficiente de energia. É bom estar ciente dessa variável e calcular quais são as suas horas de sol pico.

4. Bloqueios e Poeira

Houve uma vez em que uma de nossas máquinas de estacionamento ao ar livre alimentadas por energia solar ficava constantemente sem energia. Após horas verificando cada peça de hardware, percebemos que a máquina estava instalada sob uma árvore e as sombras cobriam parte do painel solar. A eficiência dos painéis solares pode ser drasticamente reduzida se uma pequena parte dele for bloqueada por poeira, sombras ou uma folha caída. É por isso que é bom planejar seu guia de design de energia solar especificamente para o local onde será usado.

Uma única folha pode reduzir a eficiência de um painel solar para perto de zero por cento.

5. Módulo de Alta Demanda de Energia

Módulos intensivos em energia irão drenar sua bateria mais rapidamente. No entanto, certas aplicações requerem módulos intensivos em energia como impressoras térmicas, WiFi ou um módulo GSM. Se esse for o caso, é necessário entender e prever o uso de energia do módulo para que você possa planejar a capacidade do painel solar e da bateria. Por exemplo, um sistema pode precisar ativar o módulo GSM apenas duas vezes ao dia para transmitir as informações ao centro de dados. O cálculo adequado do tamanho estimado dos dados e a velocidade de transmissão fornecerão uma figura de quanto poder será consumido durante a transmissão.

6. Arquitetura de Firmware

Enquanto programadores de firmware têm o luxo de levar microcontroladores ao limite em aplicações não alimentadas por energia solar, a energia solar torna este um processo mais delicado. Reserve um tempo para obter a estrutura de firmware correta. Isso pode resultar em seu sistema embutido alimentado por energia solar durar semanas em vez de dias em tempo nublado. A melhor abordagem no desenvolvimento de firmware para um sistema alimentado por energia solar é colocar o microcontrolador em modo de sono profundo sempre que não estiver em uso. O microcontrolador só despertará do seu modo de sono profundo por interrupções selecionadas ou temporizadores programados.

7. Design de Hardware Eficiente em Energia

É essencial minimizar a corrente ociosa quando você está projetando hardware para um sistema embarcado alimentado por energia solar. Economizar 1mA pode ser insignificante em um sistema não alimentado por energia solar, mas em sistemas solares, isso pode estender o tempo operacional em um dia nublado. Uma boa estratégia é fornecer um canal de energia separado para lógicas e ICs periféricos que são controlados pelo microcontrolador. Isso elimina o consumo de energia desnecessário quando o sistema não está em uso, independentemente do modo operacional do microcontrolador.

Os melhores sistemas embarcados alimentados por energia solar consomem energia mínima quando estão em modo de espera.

Por que você precisa analisar sua rede de entrega de energia

Quando você está preso no deserto, vai perceber o quão preciosa é a água, especialmente quando está quase no seu último gole. O mesmo princípio se aplica à eficiência energética em sistemas embarcados alimentados por energia solar. Uma análise da rede de entrega de energia () permite avaliar se os traços de cobre na PCB são suficientes para entregar energia de forma eficiente à carga. Você vai querer evitar espaços estreitos de cobre ou vias que são muito pequenas entre planos de cobre. Isso resultará em perdas resistivas e gera calor desnecessário. Você pode prevenir esse potencial desperdício de energia na fase de design, então vale a pena aproveitar esse recurso se o seu software oferecer.

Se você está projetando um sistema embarcado alimentado por energia solar, ferramentas integradas como o PDN Analyzer^™ da Altium ajudarão a garantir que seu design não exceda seu orçamento de energia antes de ser fabricado.

Precisa de mais ajuda para projetar um sistema embarcado alimentado por energia solar? Entre em contato com um especialista na Altium.