Flexibles Stromversorgungssystem für Mikrocontroller

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Die Stromversorgung wird deshalb häufig als einfache kapazitive Schaltung realisiert, anstatt die Netzspannung mit einem teuren und sperrigen Transformator in die nötige Kleinspannung zur Versorgung des Mikrocontrollers zu verwandeln. Eine solche Schaltung kommt jedoch nur dann in Frage, wenn die Applikation nicht mehr als etwa 10 bis 15 mA aufnimmt. Mehr Strom lässt sich mit einem kapazitiven Spannungsteiler nicht bereitstellen, solange die Forderung nach minimalen Kosten erfüllt werden muss.

2. Reiner RTC-Betrieb/Lager-Modus

In dieser Betriebsart muss nur das RTC-System mit Strom versorgt werden. Dabei kommt es auf die Aufrechterhaltung der korrekten Uhrzeit bei minimaler Stromaufnahme an. Voraussetzung hierfür ist, dass bei dieser speziellen Stromversorgung alle anderen Hardware-Elemente im Mikrocontroller deaktiviert sind, und auch alle übrigen Softwarefunktionen der Applikation müssen separiert und kontrolliert sein.

Höchsten Stellenwert hat außerdem die Forderung, dass die Echtzeituhr über die gesamte Einsatzdauer des Zählers hinweg ununterbrochen läuft. Die für die RTC-Funktion vorgesehene Batterie muss aus diesem Grund bis zu 12 Jahre lang Energie liefern können. Dabei wird auch der ungünstigste Fall zugrunde gelegt, dass der Stromzähler nach seiner Produktion und Kalibrierung beinahe die gesamte Lebensdauer im Lager verbringt und erst gegen Ende der Batterielebensdauer zum Einsatz kommt.

3. Lesemodus bei fehlender oder abgeschalteter Netzstromversorgung

Einige Stromzähler müssen zusätzlich in der Lage sein, bei fehlender oder abgeschalteter Netzstromversorgung ausgelesen zu werden. Das Energieversorgungs-Unternehmen (EVU) muss also auch ohne Energie aus dem Wechselstromnetz den Status des Zählers und die Verbrauchsinformationen abfragen können.

4. Batterieerhaltungs-Modus (zwischen Einlöten und der ersten Initialisierung und Programmierung)

Beim Zusammenbau des Zählers wird die Batterie meist dann eingesetzt, wenn die Durchsteck-Bauteile verlötet werden. Die erstmalige Initialisierung und Programmierung des Mikrocontrollers erfolgt dagegen erst zu einem späteren Zeitpunkt. Da die Applikation in der Zwischenzeit nicht initialisiert ist, könnte es zu einem unkontrollierten Entladen der Batterie und damit zu einer hochgradigen Reduktion der Batterielebensdauer im RTC/Lager-Modus kommen. Dies muss durch geeignete schaltungstechnische Maßnahmen in der Stromversorgung unterbunden werden.

Das integrierte Hilfs-Stromversorgungssystem (Auxiliary Power Supply; AUX) des Mikrocontrollers MSP430F6736 sorgt hier mit seinem flexiblen Umschaltkonzept für Abhilfe. Mit seinen verschiedenen Anschlüssen AUX0 (DVCC), AUX1, AUX2 und AUX3 unterstützt es mehrere Versorgungsspannungsquellen. Zum Beispiel erlaubt die Versorgung über den Anschluss AUX2 dem System kein eigenständiges Hochfahren, solange es nicht zuvor – von einem anderen Eingang gespeist – gestartet wurde. Diese Versorgung kann also nur nach dem Umschalten aus einer zuvor aktiven Versorgung (AUX0 oder AUX1) genutzt werden. Bild 1 zeigt die interne Architektur der AUX-Stromversorgung im MSP430F6736.

Neben den üblichen, auf Verbindungen nach außen beruhenden Stromversorgungssystemen kommt als zusätzliche Energiequelle ein Akku oder ein Superkondensator in Frage. Sobald eine solche weitere Quelle ins Spiel kommt, benötigt das System allerdings eine Reihe von Zusatzfunktionen zum Laden und Entladen sowie zum Erhalt der Ladung in diesen Energiespeichern. Die Ladeschaltungen im Mikrocontroller beziehen ihre Energie von der an DVCC anliegenden Haupt-Stromversorgung.

Integrierte, resistive Ladeschaltung und ADC

Damit ein kritischer Einbruch der Haupt-Versorgungsspannung verhindert wird, ist die hier entnommene maximale Stromstärke unbedingt zu kontrollieren bzw. zu begrenzen. Für die Lastregelung und den Überlastschutz muss die Spannung der verschiedenen Quellen außerdem gemessen und überwacht werden. Hierfür besitzt der MSP430F6736 eine integrierte, resistive Ladeschaltung, während die Spannungsüberwachung mit dem integrierten 10-Bit-ADC erfolgen kann.

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