Niedrigstromschaltungen dank stromsparender MCU Sensorsysteme mit Nanoampere-Stromaufnahme

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Batteriebetriebene, mit Sensorik ausgestattete IoT-Systeme mit hohem Funktionsumfang haben stark mit ihrem Energiebedarf zu kämpfen. Der Ultra-Low-Power-IC nPZero verspricht, den Stromverbrauch solcher Geräte um bis zu 90% zu senken.

Viele IoT-Geräte nutzen Primärbatterien, die auch als Einwegbatterien bekannt sind. Allerdings führt die begrenzte Lebensdauer dieser Batterien und die Notwendigkeit, verbrauchte Batterien auszutauschen, zu zahlreichen Herausforderungen:

• Die Kosten für die Wartung der Batteriestromversorgung und den Austausch entladener Batterien können erheblich sein. Dies ist insbesondere in kommerziellen und industriellen Umgebungen problematisch, in denen eine Vielzahl von Sensoren regelmäßig einen Batteriewechsel erfordert.

• Zudem besteht das Risiko, dass der Betrieb des Systems zwischen dem Ausfall einer entladenen Batterie und dem Austausch durch eine neue Batterie unterbrochen wird.

• Darüber hinaus verursachen die Kosten und Umweltschäden, die durch die Entsorgung von Batterien am Ende ihrer Lebensdauer entstehen, zusätzliche Probleme.

In batteriebetriebenen IoT-Systemen, die typischerweise eine drahtlose Verbindung zum Internet, zu einem Smartphone oder zu einem zentralen Steuerungssystem umfassen, sind das RF-System-on-Chip (SoC) bzw. der Mikrocontroller (MCU) des Geräts für den Großteil des Energieverbrauchs verantwortlich. Auch Peripheriegeräte wie Sensoren verbrauchen Energie aus der Batterie. In der Regel ist ihr Energieverbrauch jedoch geringer als der des SoC.

Ein drahtloses SoC hat zwangsläufig einen hohen Energiebedarf, da es sowohl komplexe Funkprotokolle wie Bluetooth® Low Energy verarbeiten als auch Steuerungsaufgaben bei bestimmten Sensorsignalen oder Anwendereingaben übernehmen muss. In der Praxis wird die aufwendige Rechen- und Funktechnik eines SoCs oft nur kurzzeitig aktiv genutzt, während sie den Großteil der Zeit brachliegt. In bestimmten Fällen ist das Host-Gerät während mehr als 99 % der Betriebszeit des Systems für die von ihm ausgeführten Vorgänge im Ruhezustand deutlich überdimensioniert.

MCU-Hersteller haben viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit geleistet, um den Stromverbrauch ihrer Produkte im Ruhemodus zu senken, wenn das Gerät keine Kommunikations- oder Steuerungsvorgänge durchführt. Allerdings gibt es eine Untergrenze, unter die der Stromverbrauch dieser großen, hochentwickelten Chips nicht sinken kann.

Deshalb hatten Hersteller von Embedded-Geräten bisher keine andere Wahl, als ihr Energie-Budget so zu planen und ihre Batterie entsprechend zu dimensionieren, dass sie auch mit dem hohen Energieverbrauch eines SoCs zurechtkommen – selbst wenn ihre Anwendung nichts anderes tut, als periodisch Sensorwerte zu erfassen.

Nun hat Nanopower Semiconductor einen speziellen Energiesparchip entwickelt. Dieser ist ein Pendant zum SoC und senkt den durchschnittlichen Systemstromverbrauch in typischen drahtlosen IoT-Endgeräten um bis zu 90 %.

Einen Weg finden, das SoC abzuschalten

Wenn das Problem darin besteht, dass das SoC selbst im Ruhemodus Strom verbraucht, könnte eine Lösung darin bestehen, das SoC vollständig abzuschalten.

Dies ist die Theorie hinter der Einführung eines neuen Typs stromsparender ICs. Diese Komponenten können die Funktionen übernehmen, die das SoC ausführt, wenn es nicht aktiv ist – jedoch mit einem Bruchteil des Stromverbrauchs des SoC.

Das Konzept eines solchen energiesparenden ICs wurde von dem europäischen Start-up Nanopower Semiconductor entwickelt und im Produkt der ersten Generation, dem nPZero, umgesetzt.

Der nPZero ist mit den meisten SoCs und Sensoren auf dem Markt kompatibel (siehe Bild 1). In einem IoT-Endgerät, das aus einem oder mehreren Sensoren und weiteren Peripheriegeräten besteht, übernimmt der nPZero die Sensorüberwachung und Systemsteuerung zwischen Funkübertragungen oder Ereignissen. Dadurch kann das SoC vollständig abgeschaltet werden, bis ein Schwellwertereignis eintritt, das den nPZero veranlasst, das SoC zu aktivieren und die Kontrolle an dieses zu übergeben.

Dank der Implementierung der innovativen Sub-Threshold-Mixed-Signal-Technologie von Nanopower benötigt der nPZero für die aktive Überwachung und Steuerung von Sensoren weniger als 100 nA. Nanopower hat gezeigt, dass der nPZero in typischen IoT-Geräten eine Energieeinsparung von 50 % bis 90 % auf Systemebene ermöglichen kann. Die Vorteile sind:

• Deutlich verlängerter Batterielaufzeit, wodurch Austauschhäufigkeit und -kosten sinken

• Die Option zur Verwendung kleinerer Batterien ermöglicht ein kompakteres Gerätedesign

• Potenzial für einen vollständig batterielosen Betrieb. Die stromsparende Technologie von Nanopower ermöglicht den zusätzlichen Einsatz einer Energiequelle aus Energy Harvesting, wodurch das Risiko eines Batterieausfalls eliminiert oder ein vollständig energieautarker Betrieb ermöglicht wird.

Stromverbrauch im Ruhezustand minimieren

Der typische Anwendungsfall des nPZero liegt in IoT-Endgeräten, die Systemparameter wie Temperatur oder Bewegung überwachen und nur dann kommunizieren, wenn ein meldepflichtiges Ereignis auftritt (z. B. Überschreiten eines Temperaturschwellenwerts oder starke Vibration). Der nPZero übernimmt die Systemüberwachung bei abgeschaltetem SoC und aktiviert das SoC nur, wenn ein Sensorwert übermittelt werden muss. Typischerweise weckt der nPZero das SoC außerdem in regelmäßigen Abständen, um ein Systemupdate zu übermitteln.

Im Systemüberwachungsmodus kann der nPZero im Interrupt-Modus arbeiten: Dabei ist der Sensor dauerhaft aktiv und seine Zustandsmaschine löst einen Interrupt im nPZero aus, wenn ein Ereignis erkannt wird.

Alternativ kann der nPZero im I2C oder SPI-Modus arbeiten: Hier fragt der nPZero die Sensoren nach einem vorgegebenen Zeitplan ab. Das bedeutet, dass die Sensoren zwischen den Abfragen abgeschaltet werden können, was noch mehr Strom spart.

Nanopower stellt ein Zero-Code-Tool namens nPZ Configurator bereit, mit dem sich Sensoren im System konfigurieren, Abfrageintervalle definieren und Auslösebedingungen einstellen lassen (siehe Bild 2). Dieses Tool generiert automatisch die benötigte Firmware für die Host-MCU zur Konfiguration des nPZero. Der erzeugte Code kann im Tool überprüft und bei Bedarf manuell bearbeitet werden.

Das Tool analysiert den Status von Leistungsschaltern und seriellen Schnittstellen, sodass der Benutzer die Effizienz bewerten und die nPZero-Konfiguration ensprechend anpassen kann.

Auch die Hardware-Implementierung ist unkompliziert: Der nPZero benötigt nur wenige externe passive Bauelemente und optional einen Quarz für präzisere Zeitmessung.

Testdemonstrator zur Veranschaulichung der potentiellen Ersparnis

Das Energiesparpotenzial bei IoT-Endpunktgeräten lässt sich anhand eines Vergleichs zwischen einer herkömmlichen Designimplementierung und einem Demonstrationssystem auf Basis des nPZero-IC verdeutlichen. Das Testsystem basiert auf dem nPZero Evaluation Board (EVB). Dies ist ein modulares System, das das Hinzufügen von Sensoren zur nPZero-Basisplatine über einen PMOD-Header sowie das Hinzufügen einer SoC-Tochterkarte über eine Arduino-Uno-kompatible Schnittstelle erleichtert.

Das Demonstrationsdesign verwendet den Temperatursensor AS6212 von ams OSRAM und die Beschleunigungssensor-Boards LIS2DW12 von STMicroelectronics, die von Nanopower mit dem EVB geliefert werden. Das SoC ist ein nRF52840 Bluetooth Low Energy Mikrocontroller von Nordic Semiconductor (siehe Bild 3).

Ein typisches Einsatzgebiet für dieses System wäre die Zustandsüberwachung von Transportgütern oder die Datenaufzeichnung in der Kühlkette. Das Testsystem ist für häufige Messungen ausgelegt. Der Temperatursensor wird alle 4 Sekunden und der Beschleunigungsmesser alle 0,625 Sekunden ausgelesen. Der nPZero ist so konfiguriert, dass er den Host weckt, wenn Bewegung erkannt wird oder die Temperatur außerhalb des Bereichs von 18 °C bis 28 °C liegt. Unabhängig von den Sensorwerten wird der Host alle 5 Minuten aktiviert, um die aktuellen Messwerte via Bluetooth zu übertragen.

Der Test verglich den Gesamtstromverbrauch des EVB-Systems zuerst ohne den nPZero – also mit direkter Sensorsteuerung durch das nRF52840 – und dann mit aktivem nPZero, wodurch das SoC zwischen den Übertragungen abgeschaltet werden konnte.

Mit direkter Steuerung der Sensoren durch das nRF52840 über I2C-Schnittstellen (nPZero deaktiviert) lag der durchschnittliche Stromverbrauch über eine Stunde bei 395,4 µA.

Mit aktiviertem nPZero, der das System über I2C steuert und das nRF52840 nur bei Bedarf aktiviert, sank der Durchschnitt auf 49,6 µA - eine Reduktion um 87 %, bei exakt gleicher Funktionalität und Leistung.

Funktionsweise des nPZero selbst bewerten

Entwickler von IoT-Endpunktgeräten können diese Funktionalität mithilfe des nPZero EVB sowie der von ihnen gewählten PMOD-Sensorplatinen und SoC-Tochterkarten eigenständig evaluieren (siehe Bild 4). Der nPZero Configurator steht kostenlos für Nutzer des Evaluation Boards zur Verfügung.

OEMs können außerdem ein von Nanopower entwickeltes Demonstrationsdesign nachbilden, das zeigt, wie der nPZero statt einer Batterie mit Energie aus Energy Harvesting betrieben werden kann. Dieses System wurde gemeinsam mit TDK entwickelt und nutzt den nPZero zur kontinuierlichen Steuerung von Umweltsensoren, darunter den Time-of-Flight-Sensor TDK CH201. Gespeist wird das batterielose System von TDK CeraCharge Vielschichtkondensatoren, die über Epishine PV-Zellen für Innenräume geladen werden.

Natürlich ist Stromverbrauch nicht das einzige Kriterium für ein Systemdesign: Auch Kosten und Baugröße spielen eine Rolle. Auch hier kann der nPZero überzeugen: Wie Bild 3 zeigt, enthält der nPZero einen internen stromsparenden Oszillator und Leistungsschalter, so dass externe Komponenten, die diese Funktionen implementieren, aus der Stückliste gestrichen werden können. Zusätzlich erlauben die Energieeinsparungen, die Batterie kleiner zu dimensionieren und das Gehäuse kompakter zu gestalten.

 (sg)

Energie im IoT sparen

Mit nPZero-ICs das letzte Quäntchen Stromverbrauch im IoT reduzieren

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