Energie im IoT sparen Mit nPZero-ICs das letzte Quäntchen Stromverbrauch im IoT reduzieren

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Die Elektronikindustrie beweist seit Jahren, dass sie Anwendungen und Lösungen entwerfen kann, die energieeffizient arbeiten – doch manchmal reicht das nicht. Die Entwickler von nanopower stellen mit den nPZero-ICs eine Lösung vor, die den Stromverbrauch von IoT-Anwendungen reduziert, indem sie sich zwischen MCU und Sensoren schaltet.

Viele Geräte des IoT (Internet of Things) befinden sich in schwer zugänglichen Bereichen und müssen über große Zeiträume hinweg ohne Wartung auskommen. Da ist es nur hilfreich, wenn die Anwendung möglichst lange ohne zusätzliches Zutun auskommt, und deswegen ist im IoT inzwischen die Energieeffizienz ein wichtiger Faktor, denn ein niedriger Stromverbrauch verlängert konsequenterweise die Batterielaufzeit. Dies senkt nicht nur die Betriebskosten, sondern auch die für Logistik und Wartung. Zudem trägt ein geringer Stromverbrauch zur Nachhaltigkeit bei, da CO₂-Emissionen reduziert werden.

Die Elektronikindustrie beweist bereits seit Jahren und bei vielen Gelegenheiten, wie energieeffizient ihre Lösungen sein können. Doch es geht noch eine Spur sparsamer. Das beweisen die Entwickler von nanopower und stellen mit dem nPZero eine IC vor, der noch einmal im Hinblick auf Energieeffizienz punktet. Die Idee von nPZero klingt simpel: Stromsparen durch Abschalten. Die IC wickelt die Kommunikation mit den Sensoren direkt und ohne Beteiligung einer MCU (Host) ab und versorgt die Sensoren über vier einzelne Stromschalter nur dann mit Energie, wenn sie benötigt werden.

Europäisches Teamwork

Mit dem nPZero soll der Energieverbrauch von batteriebetriebenen oder über Energy Harvesting angetriebenen Systemen noch weiter sinken, erklärten uns im Rahmen der electronica 2024 Jan Frode Bergsø, Business Development Manager, und William Xavier, Chief Technical Officer von nanopower. Die Geschäfte und alles, was dazu gehört, werden von Norwegen aus gesteuert, während das Design der Hardware in Porto in Portugal vonstattengeht. Das Halbleiter-Unternehmen verfügt über kein eigenes Werk, hat dafür aber gute Ideen.

Üblicherweise kommunizieren die MCU und die Sensoren direkt miteinander. nPZero wurde so designt, dass er problemlos zwischen den Mikrocontroller und die Sensoren passt. „Es kann jeglicher Sensor integriert werden“, so Xavier. „Digital, Analog, Mixed, alles kann genutzt werden. Mit etwas Code kann unsere IC etwa über eine API so programmiert werden, dass die MCU komplett abgeschaltet werden kann. Ihr Energieverbrauch spielt keine Rolle mehr, wenn sie nicht zur Übertragung oder Übermittlung von Daten benötigt wird.“ Damit sinkt der Energieverbrauch auf 50 nA. „Somit stellen wir den Master der Sensoren, die wir nun nach Belieben einschalten können“, führt Xavier weiter aus. „Wir können sie einschalten, eine Messung von ihnen erhalten, sie konfigurieren und wieder ausschalten. Wir sparen die Energie also nicht nur MCU-, sondern auch sensorseitig.“ So soll eine Stromersparnis von bis zu 90 Prozent möglich sein.

Zusätzlich lässt sich über obere und untere Thresholds bei den Messergebnissen der Sensoren definieren, wann der Host von nPZero wieder aufgeweckt werden soll. Solche Regelsets lassen sich etwa für Luftfeuchtigkeit oder Temperaturen definieren. Gleichzeitig verfügt nPZero über eine interne Uhr, die ebenfalls dazu genutzt werden kann, um Sensoren wie MCU zu steuern. Auf diesem Wege ließe sich etwa eine periodisch wiederkehrende Übertragung der Daten konfigurieren.

Energieernte nicht ganz trivial

Mit Blick auf eine Anwendung, die nicht von einer Batterie, sondern über Energieernte betrieben wird, stellte sich den Entwicklern von nanopower noch eine spezielle Herausforderung, denn die Energieversorgung durch Energy Harvesting ist nicht linear. Sollte der Host dann zu einer bestimmten Zeit geweckt werden, doch bis dahin wurde dafür nicht ausreichend Energie geerntet, dann gibt es ein Problem. Doch es kann geholfen werden. „Wir können über die Sensoren ebenfalls die geerntete Energie verfolgen, um den Host erst dann zu wecken, wenn wir sichergehen können, dass er ausreichend versorgt ist.“

nPZero ist weitgehend flexibel einsetzbar, kann mit unterschiedlichen Harvesting-Technologien oder eben mit Batterien gepaart werden, mit unterschiedlichen Speichermaterialien wie Festkörperbatterien oder Supertransformatoren. „Der Host kann drahtlos arbeiten oder eben nicht, wir funktionieren mit I²C und SPI, sowohl auf Host- als auch auf Sensorseite.“ Für die einfache Konfiguration des nPZero gibt es ein übersichtlich zu bedienendes Grafikinterface; direktes Coding ist also nicht nötig. Folgende Angaben verrät das Datasheet über den nPZero:

• Aktive Stromaufnahme bei 3,0 V: 2 µA, Stromverbrauch im Ruhezustand bei 3,0 V: 50 nA

• Autonomer Betrieb von bis zu 4 unabhängigen Peripheriegeräten: Abfrage von Sensoren mit schwellenwertbasierten Wake-up-Triggern. Serielle I²C- oder SPI-Protokolle für die Kommunikation und flexible I/O-Pins können als Interrupt-Eingänge oder Trigger-Ausgänge verwendet werden.

• Unterstützt einen I²C-Host: Konfiguration über I²C-Befehle, der nPZero weckt den Host bei Bedarf auf.

• Integrierte Power-Schalter für den Host und 4 Peripheriegeräte: 1 × 10 mA High-Side-Schalter für den Host, 4 × 1 mA High-Side-Schalter für die Peripherie. Kann auf Logikausgang umgestellt werden, um externe Schalter für höhere Stromanforderungen zu steuern.

• 128 Byte SRAM für Initialisierungsbefehle für die Peripheriegeräte und für Allzweckdaten

• 2-Kanal-ADC: 5-Bit-ADC für die Batterieüberwachung, 6-Bit-ADC für externe Eingänge.

• Interner Quarzoszillator (XO): Programmierbarer Taktausgang, optionaler 32,768-kHz-Quarz für eine genauere Systemzeitmessung.

• Versorgungsspannung von 1,5 V bis 3,6 V

• Temperaturbedingungen von -20⁰C bis +85 ºC

• 5 × 5 mm QFN 32-Pin und 4 × 4 mm QFN 28-Pin Gehäuse.

Klingt das interessant? Für weitere Informationen sollten Sie sich auf der Webseite von nanopower umschauen. (sb)

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