Руководство по проектированию печатных плат для разработки солнечных встроенных систем

Вы когда-нибудь возвращались с отпуска и чувствовали, что вам сразу же нужен еще один? Я точно так же, мой последний отпуск на пляже был полностью испорчен постоянными грозами. Непредсказуемая погода всегда становится дилеммой, когда я планирую свой следующий отпуск, особенно если он включает в себя активности на открытом воздухе.

Я применяю такой же осторожный подход, когда разрабатываю солнечные встроенные системы, предназначенные для использования на улице. Это совершенно другое дело, по сравнению с встроенными системами, работающими от регулируемого источника питания. Как обычно, я научился быть осторожным тяжелым путем, так как мой первый прототип на солнечных батареях даже не выдержал одного дня под дождем.

Существует множество аспектов, которые необходимо учитывать и планировать, чтобы ваша солнечная встроенная система продолжала работать дни напролет без солнечного света.

Переменные, которые следует учитывать при проектировании встроенных систем на солнечной энергии

1. Солнечные панели

Не нужно говорить, что солнечная панель является самой критически важной частью системы на солнечной энергии. Монокристаллические панели являются предпочтительным выбором, поскольку они более эффективны, чем поликристаллические или тонкопленочные, и хорошо работают в жаркую погоду. Есть панели, которые могут преобразовывать до 22% солнечного света в электричество. Тем не менее, энергоэффективность монокристаллических и поликристаллических панелей может отличаться в зависимости от их производителя, поэтому хорошо заранее уточнить эти детали.

2. Емкость батареи

Когда речь идет о встроенной системе на солнечных батареях, важным параметром является продолжительность работы системы, когда эффективность солнечной панели снижается до 0%. Экологические факторы могут привести к тому, что ваша солнечная панель не будет получать солнечный свет в течение дней или недель. Вам понадобится батарея с адекватной емкостью, и вам также нужно будет убедиться, что скорость зарядки солнечной панели выше, чем скорость использования батареи. Это не очень эффективно, если на зарядку батареи уходит 5 часов, а система разряжает ее всего за 2 часа.

3. Воздействие солнечного света

В некотором смысле, солнечная технология довольно проста. Без солнечного света электричество не генерируется. Однако наличие 8 часов дневного света не обязательно означает, что ваша солнечная панель эффективно производит электричество в течение этих 8 часов. Существует еще один термин - «пиковые солнечные часы», когда солнце находится в зените, и ваша солнечная панель работает наиболее энергоэффективно. Важно знать об этой переменной и рассчитать, сколько у вас пиковых солнечных часов.

4. Затенение и пыль

Однажды один из наших солнечных парковочных автоматов на открытом пространстве постоянно разряжался. После нескольких часов проверки каждой детали оборудования мы поняли, что автомат был установлен под деревом, и тени перекрывали часть солнечной панели. Эффективность солнечных панелей может резко снизиться, если малая часть их заблокирована пылью, тенью или упавшим листом. Поэтому хорошо спланировать ваше руководство по проектированию солнечной энергии специально для места его использования.

Один лист может снизить эффективность солнечной панели почти до нуля процентов.

5. Модуль с высоким энергопотреблением

Модули с высоким энергопотреблением будут быстрее разряжать ваш аккумулятор. Тем не менее, определенные приложения требуют использования энергоемких модулей, таких как термопринтеры, WiFi или GSM-модуль. Если это так, необходимо понимать и прогнозировать потребление энергии модулем, чтобы вы могли рассчитать необходимую мощность солнечной панели и емкость аккумулятора. Например, системе может потребоваться активировать GSM-модуль всего дважды в день для передачи информации в центр обработки данных. Точный расчет предполагаемого размера данных и скорости передачи позволит определить, сколько энергии будет потреблено во время передачи.

6. Архитектура прошивки

Хотя программисты прошивок имеют возможность использовать микроконтроллеры на пределе их возможностей в приложениях без солнечного питания, использование солнечной энергии делает этот процесс более деликатным. Уделите время для разработки правильной структуры прошивки. Это может привести к тому, что ваше встраиваемое системное устройство на солнечных батареях будет работать неделями, а не днями в пасмурную погоду. Лучший подход к разработке прошивки для системы на солнечных батареях заключается в переводе микроконтроллера в режим глубокого сна, когда он не используется. Микроконтроллер будет выходить из режима глубокого сна только по выбранным прерываниям или запланированным таймерам.

7. Энергоэффективный дизайн аппаратного обеспечения

Минимизация холостого тока является ключевой задачей при проектировании аппаратного обеспечения для солнечных встроенных систем. Экономия 1 мА может показаться незначительной в системах без солнечного питания, но в солнечных системах это может продлить время работы в облачный день. Хорошей стратегией будет предоставление отдельного питающего канала логическим схемам и периферийным микросхемам, которые контролируются микроконтроллером. Это позволяет исключить ненужное потребление энергии, когда система не используется, независимо от режима работы микроконтроллера.

Лучшие солнечные встроенные системы потребляют минимальное количество энергии в режиме ожидания.

Почему вам нужно анализировать вашу сеть питания

Когда вы оказываетесь в пустыне, вы понимаете, насколько ценна вода, особенно когда у вас почти не осталось запасов. Тот же принцип применим к эффективности использования энергии в солнечных встроенных системах. Анализ сети питания () позволяет вам оценить, достаточно ли медных дорожек на печатной плате для эффективной передачи энергии к нагрузке. Вы захотите избегать узких мест из меди или слишком маленьких переходных отверстий (виас) между медными плоскостями. Это приведет к резистивным потерям и генерации ненужного тепла. Вы можете предотвратить эту потенциальную трату энергии на этапе проектирования, поэтому стоит воспользоваться этой функцией, если ваше программное обеспечение ее предоставляет.

Если вы разрабатываете солнечную встроенную систему, встроенные инструменты, такие как PDN Analyzer^™ от Altium, помогут убедиться, что ваша конструкция не превысит свой энергетический бюджет до ее изготовления.

Нужна дополнительная помощь в проектировании солнечной встроенной системы? Свяжитесь с экспертом в Altium.