태양광 전지를 사용하여 Raspberry Pi 3 단일 기판 컴퓨터에 전력을 공급하는 방법

최신 Raspberry Pi 3와 같은 저가형 단일 기판 컴퓨터가 모니터링 및 제어 응용 분야를 위한 내장형 헤드리스 설계에서 점점 많이 사용되고 있습니다. 기판에 무선 연결이 통합된 상태에서 Linux 배포판에서 실행되는 고급 언어로 응용 프로그램을 개발함에 따라 혁신적인 응용 프로그램을 개발하고 제공하는 새로운 방법이 열리고 있습니다.

일반적인 5V 휴대 전화 충전기를 사용하여 이러한 기판에 비교적 간단하게 전력을 공급해 왔지만, 환경에서 에너지를 수확하는 방법에 관한 관심도 커지고 있습니다. 이렇게 하면 시스템 설계자가 전력선이 쉽게 닿지 않는 위치에 더욱 유연하게 기판을 배치할 수 있습니다. 이러한 기판의 전력 요구 사항은 외부 전원 공급 장치 없이는 충전용 배터리를 사용할 수 없다는 것이며, 이는 태양광 전지를 통해 제공될 수 있습니다.

스크린이 필요하지 않은 시스템의 경우 태양광 전지를 사용하여 내장형 단일 기판 컴퓨터에 전력을 공급하는 일이 점점 더 실현 가능해지고 있습니다. 기판에 있는 장치의 전력 소비가 낮아지고 태양광 전지와 전력 관리 칩의 효율이 모두 높아졌기 때문에, 전지를 사용하여 기판에 직접 전력을 공급하고 배터리 서브 시스템을 세류 충전할 수도 있습니다. 따라서 배터리를 사용하여 단일 기판 컴퓨터와 통신 링크에 수개월 또는 수년 동안 전력을 공급할 수 있습니다.

기판에 1.2GHz 쿼드 코어 ARM® Cortex®-A53 프로세서와 함께 Wi-Fi 및 Bluetooth 기능을 모두 통합하는 Raspberry Pi의 Raspberry Pi 3는 이러한 움직임의 핵심적인 부분입니다. 이로써 USB 포트를 통해 무선 어댑터를 사용할 때 발생하는 높은 전력 소비를 방지할 수 있습니다. 기판은 최대 2.4A 전류에서 작동하여 USB 포트의 주변 장치를 지원하도록 설계되었습니다.

기판의 전력 소비는 유휴 상태일 경우 31mA이며, 프로세서와 메모리에 부하가 인가되면 580mA로 높아집니다. 다른 전류 부하로는 SMSCLAN9514 USB 컨트롤러가 있으며, 정지 모드에서 74mA를 소비합니다. 이더넷 케이블을 통해 전력을 공급할 수 있으므로 이더넷 연결에 필요한 594mA는 문제가 될 가능성이 거의 없습니다.

그림 1: Raspberry Pi의 Raspberry Pi 3 기판에는 무선 연결이 통합되어 있습니다.

무선 연결의 전력 소비는 설정된 듀티 사이클에 따라 달라지며, 피크 전류 요구 사항이 너무 높아지지 않게 하려면 무선 연결이 메인보드 다음에 시동되도록 해야 합니다.

그 결과 시동 전력 요구 사항은 700mA ~ 900mA가 되고, 유휴 전력은 약 150mA가 됩니다. 유휴 전력은 에너지 수확을 통해 공급되어야 합니다.

이 전력은 MikroElektronika의 MIKROE-651과 같은 일련의 패널을 통해 공급할 수 있습니다. 이러한 패널은 100mA에서 4V 출력을 제공하므로, 각각 크기가 70mm x 65mm인 최대 9개의 패널을 병렬로 연결하여 시동 전류를 공급할 수 있습니다. 한편 150mm x 37mm 크기인 Panasonic의 AM-5902는 최대 60mA를 제공하므로, 유휴 전력 요구 사항을 유지하려면 패널 3개가 필요합니다.

그림 2: Panasonic의 AM-5902 태양광 패널.

이 패널 중 두 개에서 유휴 전력이 제공되며, 이를 통해 충전용 배터리 백업과 전력 관리 서브 시스템의 필요성을 알 수 있습니다. 그런 다음, 데이터를 수집하거나 수집된 데이터를 게이트웨이로 보낼 때 기판의 피크 사용량을 지원할 수 있도록 이 패널을 사용하여 배터리를 세류 충전할 수 있습니다.

충전용 배터리 서브 시스템은 Texas Instruments의 bq25504와 같은 장치로 관리할 수 있습니다. 이 시스템은 전지의 전류 공급이 떨어지는 경우 배터리를 충전하여 방전되지 않도록 하는 데 사용되며, 에너지 수확 장치와 같이 변동이 많은 전원을 관리하는 데 유용합니다.

단일 기판 컴퓨터에 필요한 5V를 공급하기 위해, 태양광 패널 두 개가 병렬로 연결되고 충전용 배터리에 연결되어 필요한 전류를 제공합니다.

이를 위해서는 배터리 이외에 스위치 모드 승압 또는 강압 컨버터와 배터리 충전기가 필요합니다. 컨버터는 패널에서 제공되는 에너지를 배터리에서 모두 확보하고, 인덕터를 전원에 연결하여 인덕터 전류를 증가시켜 인덕터에 에너지를 저장할 수 있도록 합니다. 두 번째 주기에서는 전류 경로의 변경을 통해 인덕터에 축적된 에너지를 부하로 전달할 수 있습니다. 부하 전압은 인덕터 전원의 전압보다 높거나 낮을 수 있습니다.

그림 3: bq25504 전력 관리 칩을 배터리와 태양광 패널에 연결합니다.

그러나 인덕터를 태양광 패널에 직접 연결하면 효율이 떨어지므로 커패시터가 사용됩니다. 스위치 모드 컨버터는 커패시터 전압을 모니터링하여 패널 출력이 피크에 도달할 때 활성화할 수 있습니다. 커패시터는 또한 출력 전압이 컨버터를 시동하기에 충분할 만큼 높지 않은 경우에도 전지에서 에너지를 모아 모든 에너지가 수집 및 저장되도록 합니다.

이는 커패시터에 충전이 충분할 때 컨버터가 버스트로 작동하여 배터리를 빠르게 충전할 수 있음을 의미합니다. 그러나 다음 에너지 버스트가 발생하는 시기를 알 수 없기 때문에 고속 충전을 종료하는 것이 어려울 수 있습니다.

한 가지 방법은 다른 비교기로 출력 전압을 모니터링하여 전압이 상한값에 도달하면 스위치를 끄고, 전압이 미리 설정된 레벨 아래로 떨어지면 다시 켜는 것입니다.

bq25504는 높은 효율의 부스트 컨버터와 충전기를 사용하여 태양광 전지의 출력을 효율적으로 확보하고 관리하도록 특별히 설계되었습니다. 장치를 시동하는 데 사용되는 DC-DC 부스트 컨버터/충전기는 전지에서 마이크로와트 단위의 전력만 제공되면 작동을 시작하여 효율적으로 전력을 추출할 수 있습니다.

그림 3에는 태양광 패널을 bq25504와 배터리 서브 시스템에 연결하여 기판에 공급할 전류를 수집하는 전형적인 회로가 나와 있습니다. bq25504에서는 Raspberry Pi 3 기판의 범용 IO 핀에 연결할 수 있는 배터리 모니터링 출력을 사용합니다. bq25504는 그림 4와 같이 태양광 전지와 배터리 간을 연결하는 데 사용할 수 있는 평가 기판에 실장되어 있습니다.

부스트 컨버터 출력 VSTOR이 1.8V에 도달하여 컨버터에 전력을 공급하기 시작하면 주 부스트 컨버터를 통해 태양광 전지에서 더 효율적으로 전력을 추출할 수 있습니다. 일반적으로 330mV 정도의 낮은 VIN_DC로 시동될 수 있으며, VSTOR이 1.8V에 도달하면 VIN_DC ≃ 120mV까지 계속해서 에너지를 수확할 수 있습니다. 통합된 PFM 벅 컨버터 역시 VSTOR에서 전력이 공급되며, 입력 전력이 충분하다면 V_OUT 핀에서 최대 100mA를 제공합니다.

그림 4: bq25504 평가 기판을 사용하여 태양광 전지에서 Raspberry Pi 3 기판에 전력을 공급할 수 있습니다.

컨버터의 핵심 요소 중 하나는 태양광 전지의 최대 전력 지점(MPP)을 추적하는 기능입니다. 이 MPP는 패널에 닿는 빛의 양과 온도에 따라 달라지며, 장치로의 전력 전송을 최적화하기 위해 프로그래밍 가능한 최대 전력 지점 추적(MPPT) 샘플링 네트워크가 사용됩니다. bq25504에서는 256ms 동안 부스트 컨버터를 비활성화하여 16초 간격으로 개방 회로 입력 전압을 정기적으로 샘플링하며, OC 전압의 프로그래밍된 MPP 비율을 VREF_SAMP의 외부 레퍼런스 커패시터(C2)에 저장합니다. 일반적으로 태양광 전지는 출력 전압의 약 80%에서 MPP에 도달하며, 사용자가 프로그래밍한 최대 전압(VBAT_OV)에 배터리가 미치지 못하면 VIN_DC가 MPP 전압에 도달할 때까지 부스트 충전기가 태양광 전지를 충전합니다. 그런 다음, 출력이 VBAT_OV에 도달할 때까지 부스트 충전기가 컨버터의 입력 전압을 조정하고, 배터리에 최대 전력을 전달합니다. 이제 기판에 필요한 전력이 제공됩니다.

결론

Raspberry Pi 3와 같이 무선 연결이 통합된 5V 단일 기판 컴퓨터를 태양광 전지에 연결할 경우, 필요한 전류를 안정적으로 공급하기 위해서는 중간 배터리 및 전력 관리 서브 시스템이 필요합니다. bq25504와 같은 장치를 사용하면 최대 전력 지점 추적 기능을 통해 배터리 충전이 최적화되도록 하고 기판에 제어 라인을 제공할 수 있습니다. 따라서 전력이 제공되지 않는 영역에서 기판을 사용하여 네트워크에 데이터를 계속적으로 공급할 수 있습니다.