Powermanagement optimieren MCU-Energieaufnahme ohne Software regeln

Wunsch und Wirklichkeit

Bild 3 zeigt exemplarisch das Energieprofil einer Anwendung. Ein häufiger Wechsel der Energiemodi kann die Umschaltenergieverluste (rote Flächen) zu einem dominanten Verbrauchsteilnehmer werden lassen, also zu einem Verbraucher ohne Nutzen für die Anwendung. Wird auch noch Software (Szenario 1c) für den Wechsel benötigt, erhöht dies die nutzlose Energieaufnahme.

Ein Wunschszenario ist auch, dass der Anwender die Betriebsmodi bestimmt. Der Hersteller definiert Grundmodi und/oder der Anwender entwirft seine Betriebsmodi und wendet sie an; wie, wann, wo, etc. Weiterhin wäre es wünschenswert, die Betriebsmodi wären an einem definierten, bekannten Ort abgelegt, können bei Bedarf überarbeitet oder beibehalten werden, ebenso könnten Modi addiert werden. Mehr noch, sie könnten bestimmten Hardware- und Softwareteilen zugeordnet sowie geschützt werden, könnten in Interruptsituationen ohne weitere Softwareunterstützung genutzt werden, und beherrschten außer den statischen Zuständen auch dynamisches Verhalten wie den sicheren Übergang von einem Modus in den anderen. Geschützt heißt z. B., dass sie in einem abgeschotteten Bereich gespeichert sind (Stichwort MMU).

Der Powermanager ist datenabhängig und nicht starr festgelegt auf ein programmiertes Verhalten oder abhängig von einigen Kontrolldaten und -bits. Parameter, die von der Anwendung abhängig sind, können in den Daten abgelegt werden. Ändert sich eine Randbedingung, so ist die Anpassung mit einem Ändern des Datums in aller Regel erledigt.

In der Chipindustrie ist gegenwärtig FD-SOI ein Thema, um die Leistungsfähigkeit der MCUs/SoCs zu erweitern und gleichzeitig die Energieverluste zu beherrschen. Die FD-SOI-Technologie lässt es zu, mit einer Vorspannung der Wannen – P-Well und N-Well – die Leistung (z. B. höhere Taktfrequenz) und/oder den Leckstrom zu kontrollieren. Normalerweise ist dies durch den Hersteller einer integrierten Schaltung festgelegt und kann nicht während der Anwendung vom Kunden oder den Randbedingungen während des Betriebs verändert werden.

Bild 4 zeigt das Anwendungsenergieprofil unter Berücksichtigung des oben beschriebenen Verfahrens. Der Betriebsmodus zum Bearbeiten der Anforderung kann mit der Leistungsversorgung abgearbeitet werden, die auch am effektivsten für den Ruhemodus ist. Wesentliche Umschaltenergieverluste werden damit vermieden. Die Modusumschaltung erfolgt ohne Softwarebeteiligung. Zum Beispiel ist die Frequenz im Betriebsmodus auf die Energielieferfähigkeit der Quelle (etwa ein Low-Power-LDO) in den Betriebsdaten festgelegt und angewandt.

Schlussbemerkung

Die Betriebsmodi können den Betrieb der Systemarchitektur organisieren und nicht nur die Energiemodi. Die Systemarchitektur regelt das Zusammenspiel der verschiedenen Funktionsblöcke inklusive der dynamischen Aspekte sowohl während aktivem Betriebsmodus als auch den Übergang von einem Modus in einen anderen. Die Modusübergänge werden idealerweise durch Parameter bestimmt und können bei neuen Anforderungen (z. B. bei Schaltungsanpassungen), temperaturabhängigen Optimierungen und dergleichen ohne Änderung des Betriebsmodusmanagers auf sichere Weise angepasst werden.

Die Moduszugehörigkeit und Parameter für die Betriebssicherheit können ebenso Bestandteil der Betriebsmodusdaten sein. Ein Schutz gegen Veränderung kann zum Beispiel sein, diese zusammen mit anderen Daten und Programmcode, in einem durch MMU geschützten Bereich abzulegen. Hilfestellung zum Generieren der Betriebsmodusdatensätze, inklusive Überprüfung auf sicheren Betrieb, erhält der Anwender durch die Entwicklungsumgebung.

Über den Autor:

Horst Diewald ist Mitbegründer von ProJoule. Unter seiner Verantwortung entwickelt das Unternehmen Ideen, die in Mikrocontrollersystemen Anwendung finden.

Know-how vom Entwickler des MSP430
Als Angestellter von Texas Instruments entwickelte Horst Diewald den ersten Ultra-Low-­Power-16-bit-Mikrocontroller, der unter dem Namen MSP430 weltweit vermarktet wurde. Der MSP430 ermöglichte Produktdesigns, die mit einer einzigen Batterie zwölf und mehr Jahre Betriebszeit boten. Diewald ist Inhaber und Mitinhaber wesentlicher Patente über »Low-Power«-Architekturen und Erweiterungen in der Funktionalität von MCUs/SoCs. ProJoule ist ein Unternehmen das 2015 von zwei ehemaligen Mitarbeitern der Firma Texas Instruments Deutschland gegründet wurde. Das Unternehmen konzentriert sich auf Erfindungen rund um MCUs/SoCs mit dem Ziel, die Energieeffizienz, den sicheren