Strategien für die Entwicklung effizienter Ultra-Low-Power-Geräte

| Autor / Redakteur: Markus Levy und Monica Redon * / Sebastian Gerstl

Energieeffizienz ist einer der wichtigsten Ansprüche an moderne Embedded- und IoT-Geräte. Doch wird der Begriff "Ultra Low Power" gerade bei Mikrocontrollern im Marketing geradezu verschwenderisch verwendet. Woran erkennt man eine echte, taugliche ULP-MCU für das eigene Design?
Energieeffizienz ist einer der wichtigsten Ansprüche an moderne Embedded- und IoT-Geräte. Doch wird der Begriff "Ultra Low Power" gerade bei Mikrocontrollern im Marketing geradezu verschwenderisch verwendet. Woran erkennt man eine echte, taugliche ULP-MCU für das eigene Design? (Bild: Clipdealer)

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Was bedeutet der Begriff „Ultra-Low-Power“ (ULP)? Ab wann kann ich von einem echten, zertifizierten ULP-Gerät sprechen, das sich für energieeffizienten, batteriebetriebenen Embedded- und IoT-Einsatz eignet? Und wie wirkt sich all dies auf die Mikrocontroller-Auswahl aus? Teil 1 einer zweiteiligen Artikelreihe.

Das Internet der Dinge (IoT) treibt die Nachfrage nach den verschiedensten batteriebetriebenen Geräten. Damit wird auch der Ruf nach immer energieeffizienteren Mikrocontrollern und anderen Systembauteilen lauter. Das Prädikat „Ultra-Low-Power“ (ULP) ist besonders bei der Vermarktung von Mikrocontrollern inzwischen überstrapaziert. Wenn man verstehen will, was ULP tatsächlich bedeutet, sollte man zunächst dessen Auswirkungen auf verschiedene Anwendungsbereiche betrachten.

Wann muss ein Gerät in welchen Situationen den geringstmöglichen Strombedarf besitzen? Bei Anwendungen mit begrenzten Ressourcen zur Stromversorgung ist der geringste Strom im Aktivmodus erforderlich (z.B. Energy Harvesting). Wenn ein System dagegen die meiste Zeit im Standby- oder Schlafmodus verbringt und nur sporadisch zum Verarbeiten einer Task geweckt wird (periodisch oder asynchron), ist der geringste Strom im Schlafmodus sinnvoll. „Ultra-Low-Power“ (ULP) hat manchmal auch Auswirkungen auf die Energieeffizienz, wenn z.B. die meisten der zu erledigenden Tasks innerhalb einer begrenzten Zeit ausgeführt werden. Ein batteriebetriebenes Gerät basiert im Großen und Ganzen auf einer Kombination dieser Betriebsarten bzw. Anforderungen.

ULP ist natürlich auch eine Frage der Auslegung sowie des Funktionsumfangs. So gilt z.B. eine MCU mit einer aktiven Stromaufnahme im Bereich von 30-40 µA/MHz und einem Abschaltstrom von 50-70 nA im Allgemeinen als „Ultra-Low-Power“. Wenn ein Mikrocontroller jedoch wirklich als „Ultra-Low-Power“ klassifiziert werden soll, sind gleichzeitig eine Reihe von Faktoren zu berücksichtigen, z.B. Architektur, SoC-Design, Prozesstechnologie, intelligente Peripherie und Deep-Sleep-Modi.

Dieser Beitrag beleuchtet anhand von zwei Mikrocontrollern von Analog Devices, wofür Ultra-Low-Power in diesem Kontext tatsächlich steht.

Ultra-Low-Power messen und optimieren

Zum besseren Verständnis erläutern wir zunächst, wie sich ULP messen lässt. Im Normalfall entnimmt der Entwickler einem Datenblatt Angaben zum Energieverbrauch je MHz und zur Stromaufnahme in den verschiedenen Schlafmodi. Hier gibt es schon das erste Problem: Die meisten Datenblätter sagen nichts über die Bedingungen, unter denen der Wert für die aktive Stromaufnahme ermittelt wurde, z.B. Code, Spannung und Wait States (Wartezyklen) im Flash. Manche Anbieter verwenden hier eine Aktivmodus-Referenz wie die EEMBC-CoreMark; andere dagegen lassen ein einfaches ‚While 1‘ Statement ablaufen. Wartezyklen im Flash führen dazu, dass die MCU weniger leistungsfähig ist, die Ausführung länger dauert und mehr Energie für die Verarbeitung einer Task benötigt wird. Bei manchen Anbietern basieren die Angaben auf einem typischen Spannungswert, bei anderen auf einer Minimalspannung; häufig wird auch gar keine Spannung spezifiziert. Die Unterschiede mögen nicht gravierend sein, doch ohne einen Standard lassen sich keine präzisen Vergleiche anstellen.

Deep-Sleep-Modi werden meist recht gut in den Datenblättern erklärt. Doch auch hier unterscheiden sich von Anbieter zu Anbieter die Bedingungen, unter denen die Stromaufnahme ermittelt wurde (z.B. Umfang des Datenerhalts, Spannung). Auch muss der Anwender in einer realen Applikation den Energieverbrauch berücksichtigen, wenn das Gerät in einen dieser Modi eintritt bzw. diesen verlässt. Dieser Wert ist nicht immer wichtig; in manchen Applikationen ist er jedoch von hoher Relevanz, je nachdem, ob das Gerät die meiste Zeit im Schlafmodus verbringt oder ob es regelmäßig geweckt wird. Dies führt uns zum nächsten Punkt: Wie viel Zeit verbringt ein Gerät im Schlafmodus? Das Verhältnis zwischen der Zeit im Aktivmodus und der Zeit im Schlafmodus ist ein wichtiger Faktor bei der Messung von ULP. Um den Vorgang zu vereinfachen, basiert das ULPMark-CoreProfile (ULPMark-CP) der EEMBC - ein Benchmark, das vielen Mikrocontroller-Anbietern als Standard für ihre Datenblätter dient - auf einem Arbeitszyklus von 1 Sekunde. Anmerkung: Die EEMBC-Arbeitsgruppe hat die Zeitdauer von 1 Sekunde gemeinschaftlich ausgewählt. Berücksichtigt man die aktive Zeit der ULPMark-CoreProfile Workload, ergibt sich ein Arbeitszyklus von etwa 98%. In diesem Benchmark wird das Gerät 1x pro Sekunde geweckt, führt einige Aufgaben aus (aktiver Zyklus) und geht danach wieder in den Schlafmodus.

Im Aktivmodus kommt es aufgrund der Analogschaltkreise typisch zu einem Offset in der Stromaufnahme. Daher ist es zur Optimierung des Gesamtenergieverbrauchs zielführend, den Aktivstrom zu verringern und Deep-Sleep-Modi sinnvoll einzusetzen. Hinweis: Wenn Sie die Frequenz reduzieren, sinkt zwar der Aktivstrom, jedoch werden die Ausführungszeiten länger, und das Offset aufgrund der Analogschaltkreise bleibt konstant, solange der Mikrocontroller aktiv ist. Welche Faktoren gilt es bei der Mikrocontroller-Auswahl also zu beachten? Und in welchem Ausmaß beeinflussen der Arbeitszyklus einer Applikation und die Stromaufnahme im Deep-Sleep-Modus die Energieeffizienz?

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posted am 21.08.2017 um 12:16 von roby111


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