Ultra-Low-Power-Sensoren Power-Management für ein langes Leben im IoT

Sensorknoten, die sich an beliebigen Orten platzieren lassen, gehören zu den zentralen Herausforderungen im IoT. Solche Sensoren messen verschiedenste physikalische Größen. Diese Daten werden dezentral gesammelt und von zentralen Servern verarbeitet. Wie lässt sich ein robustes Netzwerk aufbauen?

von Florian Feckl, Applikationsingenieur in der Advanced Low Power Solution Group von Texas Instruments.

Um ein breit angelegtes robustes Netzwerk zu realisieren, gilt es einen entscheidenden Aspekt zu beachten. Gemeint ist, dass der Sensorknoten selbst eine sehr lange Betriebszeit erreichen muss. Denn je länger die Lebensdauer ist, umso niedriger sind die Wartungskosten. Aufgrund der Stromaufnahme-Optimierung der Mikrocontroller und der Verfügbarkeit von Batterietypen wie der LiSOCl2-Primärzellen (Lithium-Thionylchlorid-Batterie) können Con­troller Betriebszeiten von zehn Jahren und mehr erreichen.

Bisher wurde die Funk-Übertragung von Sensordaten über größere Distanzen nicht in größerem Umfang genutzt, denn durch dieses Feature werden die Überlegungen zum Strombedarf noch komplexer. Ein drahtloser Sensorknoten muss schließlich einerseits eine möglichst geringe durchschnittliche Leistungsaufnahme aufweisen, andererseits aber während der in größeren Zeitabständen erfolgenden Datenübertragungen hohe Spitzenströme unterstützen. Hinsichtlich der Stromversorgung bedeutet dies eine Kombination aus minimaler Ruhestromaufnahme für das Sensorsystem und der Fähigkeit zur effizienten Bereitstellung hoher Ströme für den HF-Leistungsverstärker. Aus diesen Anforderungen resultieren neue Herausforderungen für die Auswahl der Bauelemente sowie für die Gestaltung der gesamten Stromversorgungsarchitektur.

Geringer Ruhestrom und lange Lebensdauer

Um dafür zu sorgen, dass »intelligente« Funksensoren Realität werden, müssen diese Sensoren sich kostengünstig betreiben lassen. Einmal installiert und in Betrieb genommen, müssen sie so lange wie möglich betriebsfähig bleiben, um möglichst lange Wartungsintervalle zu erzielen und damit Kosten einzusparen. Dies erfordert langlebige Materialien und Bauteile, die mit möglichst wenig Strom auskommen.

Heutzutage werden diese Anwendungen mit speziellen Primärzellen betrieben. Bau­arten wie die Lithium-Thionylchlorid-Batterie zeichnen sich durch eine sehr hohe Energiedichte von über 1 Wh/cm3 aus und sind flächendeckend verfügbar. Als eine weitere wichtige Eigenschaft, weisen diese Primärzellen eine sehr geringe Selbstentladung auf, was sie für Entwickler zur ersten Wahl macht, sollen Anwendungen lange Betriebszeiten erreichen.

Um von diesen Eigenschaften profitieren zu können, muss der Batteriestrom auf weniger als 5 mA begrenzt werden. Ströme oberhalb dieses Wertes führen dazu, dass die Kapazität der Batterie schrumpft. Dies verkürzt die Betriebsdauer des Sensors. Infolge des Innenwiderstands fällt darüber hinaus bei höheren Strömen die Klemmenspannung deutlich ab. Natürlich müssen abgesehen von der Batterie auch die aktiven Bauelemente sowie die gesamte Stromversorgungsarchitektur im Hinblick auf minimale Leckströme optimiert werden.

Ultra-Low-Power-Mikrocontroller-SoCs (System-on-Chip) bieten zur Reduktion der Stromaufnahme unterschiedliche Low-Power-Modi. Ein Beispiel für ein häufig eingesetztes SoC ist der »CC430F5147«. Dieser Baustein ist optimiert auf eine geringe Belastung der  der Batterie, da er nur rund 2 µA aufnimmt, wenn er direkt aus der Batterie versorgt wird. Bild 1 zeigt die Stromaufnahme dieses Bauelements im Low-Power-Modus LPM3, wobei  die Stromaufnahme von der Versorgungsspannung abhängt (blaue Kurve).

Weiter absenken lässt sich der Strombedarf, wenn die SoCs mit einem Ultra-Low-Power-Abwärtswandler (Buck Converter) kombiniert werden, um die Versorgungsspannung zu reduzieren. Ein Beispiel für einen solchen Abwärtswandler ist der Chip »TPS62740«, der selbst lediglich eine Ruhestromaufnahme von 360 nA aufweist.

Die rote Kurve zeigt die Stromaufnahme der Applikation nach Absenkung der Versorgungsspannung auf 2,1 V. Je höher die Batteriespannung ist, umso mehr Energie wird durch eine Spannungsabsenkung eingespart. Bei der typischen Klemmenspannung einer LiSOCl2-Batterie von 3,6 V verringert sich die Gesamtstromaufnahme verglichen mit der Versorgung direkt aus der Batterie um 30%.