Der Weg zum geringsten Energieverbrauch in MCU-Systemen (Teil 1)

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Kosteneffiziente Halbleiterprozesse nutzen und dennoch energieeffizient sein

In energieeffiziente Anwendungen nutzen die allermeisten MCU/SoC-Bausteine Clock- und Power-Gating und können so kosteneffiziente, kleinstrukturelle Halbleiterprozesse nutzen und dennoch energieeffizient sein.

Clock-Gating schaltet den Betriebstakt aus, wenn er nicht benutzt wird. Dies wurde schon in den 1990ern genutzt, und zwar war dort eine automatische Ein-/Ausschaltmethode verwendet. In aktuellen Bausteinen werden meist ein oder mehrere Kontrollbits verwendet um diese Technik zu nutzen. Da bei dieser Technik auch Clocks abgeschaltet werden können, die noch zum Beenden einer Aufgabe notwendig sind, wird vereinzelt von den entsprechenden Schaltungsteilen eine anhaltende Clock-Anforderung ausgegeben.

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Diese können dann verwendet werden um den Clock so lange weiter zur Verfügung zu haben wie er gebraucht wird. Diese Funktion ist auch für eine sichere und energiesparsame Betriebsbereitschaft bedeutsam. Vor mehr als einer Dekade wurde dies in MSP430-Produkte [3] eingeführt. [3] Texas Instruments Inc., „MSP430x1xx Family User's Guide, SLAZ671A, April 2015, Revised December 2016“.

Power-Gating wird angewandt, wenn die Clock-Abschaltung nicht ausreicht um den Energieverlust (oder Temperaturanstieg durch Verlustleistung) durch Leckströme zu minimieren. Dabei werden Teile des Systems von der Versorgungsspannung abgetrennt. Die Power-Gates dürfen nur sehr geringe Leckströme aufweisen um effektiv eine starke Reduktion der Ströme zu erreichen.

Diese Methode hat den Nachteil, dass diese Systemteile ihre Konfigurationen und aktuellen Einstellungen verlieren, wenn keine zusätzlichen Schaltungsmaßnahmen getroffen sind. Ein automatisches Speichern und Rückspeichern ist eine Option, um die Auswirkungen des Abschaltens der Versorgung vom Anwender möglichst gering zu halten. Auswirkungen sind beispielsweise der Verlust der Einstellungen, Konfiguration, des I/O-Status.

Um solche Informationen oder Daten zu erhalten werden Datenspeicher nun meist mit zwei SRAM-Speicher ausgestattet. Einer dieser Speicher ist kleiner und ist bei wirksamen Energiesparmodi weiter vom Power-Gating ausgenommen. Eine sorgfältige Speicherplanung ist damit für einen sicheren Betrieb erforderlich.

Fazit zum ersten Teil dieser Mikrocontroller-Artikelserie

Die Grundbetrachtungen des 1. Teils zeigen, dass kleinste Stromverbräuche die Energiebilanz für Applikationen in tragbaren, schwer zugänglichen, fernversorgten Produkten eine Anwendung erst ermöglichen. Besonders starkes Augenmerk gilt dem abgestimmten Verhalten von Hardware und Software auf die jeweilige Aufgabe.

Verstärkt wird das Feld der IoT-Anwendungen mit Kommunikation verknüpft. Viele Produkte werden damit über drahtlose Funkverbindungen in ein Gesamtsystem eingebunden. Damit verbunden, werden mehr Controller (über reine Kontrollanwendungen hinaus) auch in die Datenbehandlung, zum Beispiel Datenvorverarbeitung, münden. Jedes übertragene oder längere Protokoll verbraucht Energie, die bei smarter Aufgabenverteilung zum Gelingen energetisch effizienter System wesentlich beitragen werden.

* Horst Diewald ist Mitgründer der ProJoule GmbH. Er entwickelt Ideen für Mikrocontroller in anwendungsspezifischen Energie-effizienten Systemen. Bei Texas Instruments entwickelte er den ersten hocheffizienten 16-Bit-Mikrocontroller MSP430.

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