20 Jahre Batterielebensdauer mit einer einzigen Batteriezelle?

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Mit dieser vorgegebenen, festen Ladungsmenge, die über der Lebensdauer der Knopfzelle zur Verfügung steht, müssen die Entwickler nun das Produkt aus Strom und Zeit über alle Phasen des MCU-Betriebs hinweg minimieren. Es zählt nicht nur jedes µA sondern auch jede µs, die für jede Aktion erforderlich ist.

32-Bit-Rechenleistung mit Low-Power-Modi kombinieren

Um den Stromverbrauch im Deep-Sleep-Modus zu minimieren, ist es gängige Praxis, MCUs mit 8- oder 16-Bit-Core einzusetzen, die für energiesensitive Anwendungen ausgelegt sind. Der Grund ist, dass 8-Bit-Cores selbst in neueren Versionen klein sind, relativ wenige Gatter und niedrige statische Ströme oder Leckströme aufweisen.

Viele Anwendungen benötigen heute aber wesentlich mehr Rechenleistung als 8-Bit-Cores bereitstellen können. In anderen Bereichen entscheiden sich viele für das Aufrüsten von einer 8- auf eine 32-Bit-Umgebung. In Anbetracht dieses Low-Power-Themas wird dann stets angenommen, dass der Stromverbrauch eines 32-Bit-Cores im Power-Down-Modus unangemessen hoch sein muss.

Doch durch die heute verfügbaren Low-Power-Designtechniken können Chipentwickler einen 32-Bit-ARM-Core implementieren, der eine Reihe von Low-Power-Modi bietet, die genauso gut oder sogar besser als bei 8-Bit-Mitbewerbern ist - und das ebenfalls mit schnellen Wake-up-Zeiten. Die höhere Rechenleistung der 32-Bit-Prozessoren erledigt die Aufgaben der MCU schneller, was eine längere Zeit in einem der Low-Power-Modi ermöglicht. Damit sinkt der durchschnittliche Stromverbrauch über der Zeit sogar noch weiter.

Strom sparende Peripherie

Den Stromverbrauch einer MCU im Sleep-Modus so zu optimieren, dass möglichst wenig Energie aus der Batterie aufgenommen wird, erfordert einen ganzheitlichen Entwicklungsansatz. Neben dem Core werden auch andere Blöcke innerhalb der MCU etwas Strom verbrauchen, sobald sich der Baustein im Standby-Betrieb befindet. Dazu zählen Spannungsregler, Bias-Strom-Generatoren, Komparatoren für die Brown-out-Erkennung, Power-on-Reset-Schaltkreise etc.

Fast immer muss ein einfacher Kompromiss geschlossen werden: je tiefer der Power-Down-Status und je mehr Peripherie komplett abgeschalten ist, desto länger ist die Wake-up-Dauer des Bausteins, bis dieser zur Ausführung von Aufgaben bereitsteht. Da sich Anwendungen stets unterscheiden, muss die MCU verschiedene Power-down-Zustände bieten. Damit kann der Entwickler für sein Projekt den jeweils besten Kompromiss zwischen Standby-Leistungsaufnahme und Reaktionsfähigkeit festlegen.

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