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So drosseln Sie den Energiebedarf von Wearables

| Autor / Redakteur: Chris Francis * / Margit Kuther

Microchip nanoWatt XLP: Der Mikrocontroller kann bei 3,3 V mit 32 MHz laufen, während bei 1,8 V die maximale Taktrate 8 MHz beträgt.
Microchip nanoWatt XLP: Der Mikrocontroller kann bei 3,3 V mit 32 MHz laufen, während bei 1,8 V die maximale Taktrate 8 MHz beträgt. (Bild: Mouser)

Wearables sind in und der Markt wächst stetig. Eine Herausforderung für Entwickler, denn die Batterie in diesen kleinen Geräten soll nicht nur Monate, sondern Jahre funktionieren.

Der Markt für am Körper tragbarer Elektronik, sogenannte Wearables, wächst rapide und soll nach verschiedenen Prognosen bis zum Jahr 2020 die 10-Mrd.-Dollar-Grenze überschritten haben.

Allerdings sind die Bausteine und Geräte klein, ebenso wie deren Batterien, also heißt es, beim Design sorgfältig vorzugehen und kreativ zu sein, denn die Bausteine sollen mit einer Batterie Monate oder sogar Jahre funktionieren, anstatt nur Tage oder Stunden. Das bedeutet die genaue Betrachtung aller beitragenden Faktoren vom Hochfahren der Taktgeber bis zu den Schaltzeiten von MOSFETs.

Hier einige Fingerzeige, wie man jedes kleinste bisschen an Laufzeit aus der Batterie herauskitzelt, bzw. das letzte bisschen Energie spart. Während einige Ansätze vielleicht nur winzige Mengen an Strom einsparen, sind andere wesentlich ergiebiger. Viele kleine Reduzierungen können sich zu einer beträchtlichen Gesamteinsparung aufsummieren.

Der Sleep-Modus erfordert ein Aufweckverfahren

Die vielleicht offensichtlichste Strategie für das Energiesparen ist, das Bauteil solange wie nur möglich in einem stromsparenden Ruhezustand zu halten, wenn man es denn nicht ganz abschalten kann. Dazu braucht es offensichtlich ein Aufweckverfahren, das periodisch über ein Zeitintervall erfolgen kann, oder durch ein Ereignis (d. h. ein Interrupt) wie einen Knopfdruck oder eine physikalische Bewegung.

Dann muss man mit verschiedenen Parametern jonglieren, wie zum Beispiel, wie häufig das Bauteil aus dem Ruhebetrieb hochgefahren wird und wie es sich beim und nach dem Hochfahren in den Betriebsmodus verhält. Man kann auch mit dynamischen Ruheintervallen arbeiten, wobei das Bauteil unterschiedlich lange Ruhezeiten einlegt, je nachdem, was gerade passiert.

So sollte ein Fitnesstracker zum Beispiel bei erkannter Aktivität die Daten wesentlich öfter überwachen und aufzeichnen, und bei abnehmender oder gar keiner Aktivität könnte das Überwachungsintervall gestreckt und somit Batterieleistung gespart werden.

Kommunikation zwischen ICs

I2C arbeitet mit Pull-up-Widerständen, die Energie verschwenden - SPI kommt ohne Pull-up-Widerstände aus. Die Pin-Kapazität verbraucht Leistung zwischen ICs. Wenn möglich, sollte die übertragene Datenmenge auf ein Minimum reduziert werden.

Vier Leitungen mit je 5 pF, die bei 20 MHz mit einer 3,3-V-Versorgungsspannung laufen, ziehen 660 µA – nur aufgrund der Pin-Kapazität (Strom = 0,5 CVf, wobei C die Pin-Kapazität, V die Versorgungsspannung und f die Frequenz ist). Die Pin-Kapazität ist die kombinierte IC-Kapazität sowohl auf Sende- als auch Empfangsseite.

Dieser Strom mag im Vergleich zum tatsächlichen IC-Strom wie ein Tropfen im Wasserglas erscheinen, ist es aber nicht immer - dies hängt von der Funktion des Bauteils ab. Es ist ein beitragender Faktor dazu, warum hochintegrierte Chips am effizientesten sein können - Zugriff auf Peripherie, RAM und Flash-Speicher ist alles intern, sodass hier keine Pin-Kapazität zu berücksichtigen ist, wenn auf die Peripherie oder die Speicher zugegriffen wird. Ein großer Anteil der Pin-Kapazität geht auf ESD-Schutzdioden zurück.

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