Energiefreundliches Mikrocontroller-Design

20 Jahre Batterielebensdauer mit einer einzigen Batteriezelle?

04.06.2010 | Autor / Redakteur: Rasmus Larsen* /

Rasmus Larsen, Training and Support Manager, leitet das Technical Support Team bei Energy Micro und ist für die Schulung der weltweiten Vertriebskanäle verantwortlich.
Rasmus Larsen, Training and Support Manager, leitet das Technical Support Team bei Energy Micro und ist für die Schulung der weltweiten Vertriebskanäle verantwortlich.

Bei der Entwicklung batteriebetriebener Produkte sollte die Batterielebensdauer möglichst hoch sein. Immer mehr Geräte werden dabei mit einer einzigen Batterie betrieben. Dazu zählen Verbrauchszähler, Geräte für die Gebäudeautomatisierung sowie Sicherheits- und medizintechnische Systeme. Hier ist eine MCU gefragt, die lange Zeit einen Betrieb mit einer einzigen Batterie gewährleistet.

In einigen Situationen ist ein Batteriewechsel schwierig oder sogar unmöglich, in anderen Bereichen kann der Endanwender die Kosten eines Batterieaustausches nicht rechtfertigen. Solche Anwendungen enthalten eine MCU, die immer nur kurze Zeit in den Aktivmodus übergeht und meistens, z.B. 99% ihrer Zeit im „Deep-Sleep“-Modus verbleibt. Selbst 99,9% dieser Zeit sind nicht ungewöhnlich.

Die Bausteine wachen entweder periodisch oder durch eine Art Stimulus auf, führen eine Aufgabe durch und gehen dann wieder in ihren Sleep-Modus zurück. Da sie die meiste Zeit in diesem Ruhezustand verbringen, ist die für eine maximale Batterielebensdauer entscheidende Größe der Stromverbrauch in diesem Ruhezustand.

Der Unterschied zwischen einer Betriebsdauer von drei oder vier Jahren zu einer, die mit einer Batterie 10 Jahre übersteigt und sogar 20 Jahre erreichen kann, liegt in der sorgfältigen Abwägung, wie die Gerätefunktion die Ressourcen der MCU in Anspruch nimmt. Auch die MCU-Architektur an sich trägt zu einem minimalen Energieverbrauch bei.

Knopfzelle mit geringer Selbstentladung

Eine in kleinen MCU-Anwendungen wie der Fernsensorik oft eingesetzte Batterie ist die CR2032-Knopfzelle, eine Lithium-Mangandioxid-Zelle mit 3 V. Ein gängiger Anbieter, z.B. Kodak (Ref. 1) beziffert die Kapazität mit 230 mAh bei einer Endpunktspannung von 2 V in 5,6 kΩ (ca. 0,5 mA). Mit diesen Angaben würde die Lebensdauer in etwa 400 Stunden betragen.

Energiesensitive Anwendungen müssen hingegen mit einer Betriebsdauer bis zu 200.000 Stunden ausgestattet sein. Diese Knopfzelle weist sehr gute Lagerungseigenschaften bzw. Selbstentladungsraten auf. Das Datenblatt weist 10 Jahre mit einer Kapazität von 90% aus. Dies entspricht einer Dauerentladung von etwa 0,25 µA, was einen Anhaltspunkt für den Durchschnittsverbrauch der Applikation vorgibt, wenn eine Batterielebensdauer von 10 bis 20 Jahren angestrebt wird.

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