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Der neue Low-Energy-Modus für USB

Ein Verständnis für das Prinzip der USB-Kommunikation hilft dabei, den Stromverbrauch zu verringern. Der Host initiiert den Datentransfer und sendet jede Millisekunde Keep-Alive-Mitteilungen an das Gerät – selbst wenn kein Datenaustausch stattfindet. Der Host erwartet, dass das Gerät sofort auf jede Anfrage antwortet. In diesem Aktivmodus kann das Gerät bis zu 100 mA Strom benötigen. Stoppt der Host die Aussendung von Keep-Alive-Mitteilungen für 3 ms, sollte das Gerät in einen Suspend-Zustand (Unterbrechung) übergehen und den Stromverbrauch sofort auf unter 3 mA senken.

Im Suspend-Zustand kann der Großteil des Geräts abgeschaltet werden. Dazu zählen auch die verbrauchsintensiven Teile der PHY. Eine moderne MCU sollte imstande sein, einen Suspend-Strom von weit weniger als 3 mA zu erzielen. Tatsächlich sollte ein Stromverbrauch von unter 3 µA in diesem Modus möglich sein, einschließlich dem Strombedarf für die PHY.

Bildergalerie

Die Überprüfung der USB-Kommunikation einer gewöhnlichen Tastatur zeigt jedoch, dass das Gerät selbst im Aktivmodus die meiste Zeit im Wartezustand verbringt und darauf wartet, dass der Host Daten sendet. Um die sofortige Reaktion zu gewährleisten, die der Host fordert, bleibt die USB-Peripherie ständig mit 48 MHz in Betrieb. In diesem Beispiel befinden sich die Leitungen zu 97% der Zeit im Leerlauf – auch wenn das Gerät enummeriert und aktiv ist.

Eine USB-Implementierung, die für einen Batteriebetrieb optimiert ist, muss diese Power-Management-Erwägungen berücksichtigen und genau bestimmen, wann der Takt wie lange erforderlich ist und welche anderen Teile des USB abgeschaltet werden können. Silicon Labs bietet hierzu zwei zum Patent angemeldete Designs, um eine energieeffiziente Kommunikation zu ermöglichen – selbst im Aktivmodus. Der Schaltkreis nutzt hierbei quarzlose USB-Oszillatoren und deaktiviert verbrauchsintensive Teile der USB-Anbindung zwischen Paketen.

Bild 1 (siehe Bildergalerie) beschreibt, wie der Low-Energy-Modus (LEM) zwischen dem Busverkehr aktiviert wird. Damit lassen sich verbrauchsintensive Teile der USB-Schnittstelle während langer Leerlaufperioden abschalten, was den Stromverbrauch des Gesamtsystems verringert. Bild 2 zeigt, wie LEM den Strombedarf für die USB-Transceiver im Leerlauf senkt – ähnlich wie im Suspend-Modus. Ein herkömmlicher USB-Transceiver würde weiterhin im Empfangsmodus verweilen und 3 bis 5 mA Strom verschwenden.

LEM wurde so integriert, dass keine Auswirkungen auf die Benutzerfreundlichkeit erkennbar sind und volle Transparenz für Entwickler besteht. USB erzielt somit nun eine hohe Energieeffizienz. Zusammen mit Neuerungen wie quarzloser Betrieb und Taktrückgewinnung kann intelligente, LEM-fähige USB-Hardware nun eine moderne Schnittstelle für tragbare, batteriebetriebene Geräte bieten.

Intelligente Peripherien für energieffiziente Anwendungen

Der Universal Serial Bus (USB) hat sein ursprüngliches Ziel erreicht, die Anbindung von PC-Peripherie zu vereinheitlichen. Der Erfolg ist nun noch größer, da er als Schnittstelle für zahlreiche Anwendungen im Consumer-, Mobil-, Industrie- und IoT-Bereich zum Einsatz kommt. Weitere Verbesserungen haben zu einem hohen Datendurchsatz geführt und kleine Stecker für tragbare Geräte ermöglicht, während innovatives Schaltkreisdesign die Stückkosten, Komplexität und den Platzbedarf auf der Leiterplatte verringert.

Bezüglich des Stromverbrauchs ergeben sich nun weitere Verbesserungen. Sie sorgen dafür, dass USB nun auch kommende Generationen energieeffizienter Anwendungen unterstützt, die eine hohe Leistungsfähigkeit und längere Betriebszeiten auf Basis ihres batteriebegrenzten Energiebudgets erfordern. Intelligente Peripherie unterstützt dabei Low-Energy-Modi, die eine Lösung für diese Anforderung bieten.

* Alf Petter Syvertsen ist Produktmanager für 32-Bit-Mikrocontroller bei Silicon Labs.

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