Mensch-Maschine-Schnittstellen

Niedriger Stromverbrauch in tragbaren HMI-Anwendungen

15.10.13 | Autor / Redakteur: Mark Cullum * / Holger Heller

Stromsparmodi der RL78-MCU von Renesas: geringerer Stromverbrauch bei der Display-Ansteuerung
Stromsparmodi der RL78-MCU von Renesas: geringerer Stromverbrauch bei der Display-Ansteuerung (Bild: VBM-Archiv)

Bei batteriebetriebenen Geräten herrscht hohe Nachfrage nach immer mehr Funktionen und eine längere Betriebsdauer zwischen Batterie-Ladevorgängen. Die richtige MCU unterstützt diese Forderungen.

Mehr Funktionen und eine längere Batterielebensdauer trifft beispielsweise bei elektrischen Zahnbürsten, Rasierapparaten oder etwa Blutdruck-Messgeräten zu, die bisher mechanische Schalter, Logikschaltungen oder kleinere MCUs mit geringem Funktionsumfang sowie diskrete LCD-Treiberschaltungen nutzten. Solche miniaturisierten und batteriebetriebenen tragbaren Geräte der nächsten Generation besitzen einen oder mehrere LCD-Displays, benötigen Timer- oder Motorsteuerungs-Funktionen und eventuell sogar Wireless-Funktionalität.

Die Anforderungen für solche zusätzlichen Funktionen und der zunehmende Wunsch nach längerer Batterielaufzeit führt zu einer steigenden Nachfrage nach günstigen MCUs mit geringer Pinanzahl, und extrem niedrigem Stromverbrauch als Plattform für zahlreiche Funktionalitäten.

Die Anforderungen tragbarer Geräte

Manche Hersteller bieten MCUs mit geringer Pinanzahl, andere punkten mit Stromsparfunktionen zur Verringerung des Energieverbrauchs bei MCU-Core und Peripherieschaltungen. Dies alles genügt jedoch nicht, um einen niedrigen Gesamtsystem-Energieverbrauch bei gleichzeitiger Ansteuerung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (Human Machine Interface – HMI) oder eines integrierten LCD zu gewährleisten.

Das für die HMI des Produkts verwendete LCD-Display besteht meist aus einfachen alphanumerischen Pixel-Panels sowie ggf. aus einem Timer-Display oder einer Anzeige einfacher, für die Anwendung relevanter visueller Symbole. Die neue Renesas RL78/L1x-Serie (LCD) bietet eine Reihe von Low-Power-Betriebsarten und kombiniert diese vor allem mit einer innovativen Methode, die den MCU-Stromverbrauch bei der Ansteuerung eines LCD-Displays gegenüber herkömmlichen Lösungen um bis zu 50 Prozent senkt.

Die alphanumerischen Displays, die in diesen Miniatur-Anwendungen für HMIs zum Einsatz kommen, sind in der Regel relativ klein und besitzen nur eine geringe Anzahl von Pins. Jeder der relevanten Pins benötigt eine Ansteuerung für jedes einzelne Display-Segment. Die Ansteuerung erfolgt per Wechselstrom (AC), da eine Gleichstrom-Ansteuerung elektromechanische Reaktionen verursacht, die die Display-Lebensdauer verkürzen können. Die AC-Ansteuerung nutzt ein Zeitmultiplex-Verfahren. Die Zahl der Zeitabschnitte muss dabei doppelt so hoch wie die Anzahl der Common Ebenen des Displays sein. Dies gewährleistet, dass die Spannung an allen Segment-Positionen regelmäßig umgepolt wird, um Gleichspannung zu vermeiden.

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Split-Capacitor-Methode spart Strom

Der LCD-Controller übernimmt die Erzeugung dieser Signalform. Allerdings muss dazu die erforderliche Anzahl von Vorspannungen erzeugt werden. Dies lässt sich mit mehreren Methoden erreichen. Die MCUs der RL78/L1x-Familie enthalten Split-Capacitor LCD-Treiber. Die Split-Capacitor-Methode zur Erzeugung der LCD-Vorspannungen kann den Stromverbrauch um die Hälfte senken. Dieses Konzept ähnelt im Prinzip dem der Spannungsteilung per Widerstand. Die benötigten Vorspannungen werden durch die Werte der externen Kondensatoren definiert.

Die Capacitor-Split-Methode gewährleistet, dass kein Strom verschwendet und kontinuierlich durch einen resistiven Spannungsteiler fließt oder von einer kapazitiven Ladungspumpen-Schaltung verbraucht wird.

Beim RL78/L12 eröffnet die Capacitor-Split-Methode eine extrem stromsparende Betriebsart (Sub Halt), die mit aktivem LCD und laufendem RTC nur 0,62 µA bei 3 V verbraucht. Dies ist weniger als die Hälfte des typischen Betriebsstroms von 1,5 µA, die bei herkömmlicher Spannungsanhebung oder bei resistiven Spannungsteilern benötigt werden.

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