Längere Batterielaufzeit für Wearables Dezentrales Power-Management

Energieeffizienz durch Funktionsauslagerung

Da Rechenkapazität in den vergangenen Jahren immer günstiger geworden ist, war die Versuchung groß, noch mehr Funktionen in einen Mikrocontroller zu integrieren. In Bezug auf Anwendungen mit begrenzter Stromversorgung, wie zum Beispiel den Wearables, ist es offensichtlich nicht der richtige Weg. Der Zeitraum, in dem der Mikrocontroller sowie andere leistungshungrige Komponenten aktiv sind, sollte für mobile Anwendungen so weit wie möglich verkürzt werden.

In manchen Fällen arbeiten Mikrocontroller, die für Wearables ausgelegt sind, mit sehr niedrigen Stand-by-Strömen. Das macht sie äußerst attraktiv. Für den Übergang in den aktiven Zustand können sie allerdings 4 oder 5 mA Strom benötigen. Wenn MCUs regelmäßig aktiviert werden müssen, wird dies eine beträchtliche Ladungsmenge der Batterie erfordern. Deshalb ist eine neue Strategie vonnöten: die Kombination eines Ultra-Low-Power-Mikrocontrollers mit einer programmierbaren Power-Management-Einheit ermöglicht das Aufsetzen einer „dezentralen Intelligenz“ mit der ein deutlich effizienterer Betrieb möglich ist (Bild 3). Bei diesem Konzept beziehen nur die tatsächlich erforderlichen Funktionen Strom aus der Batterie, sodass sich die Batterielebensdauer verlängert.

Am Beispiel eines herkömmlichen Fitness-Trackers, bestehend aus einem Mikrocontroller mit geringer Leistungsaufnahme, BLE-Transceiver und einem fortschrittlichen Power-Management-IC, ergibt sich bei einem inaktiven System eine Stromaufnahme von 3 oder 4 μA. Wird das System allerdings aktiviert, um entweder auf eine Bewegung zu reagieren oder Funksignale zu erfassen, steigt der Strombedarf schnell auf den 200-fachen Wert. Mit einer programmierbaren Power-Management-Einheit lassen sich diese Aktivierungs-/Sleep-Zyklen über deren internen Timer verwalten, was deutlich weniger Leistung benötigt, als wenn ein Power-Management-IC oder ein Mikrocontroller diese Aufgabe ausführt. Die programmierbare Power-Management-Einheit kann auch die Datenerfassung von den Sensoren übernehmen, sodass der Mikrocontroller nur bei Bedarf, etwa für Berechnungszwecke, aktiviert wird. Sie kann außerdem grundlegende Funktionen einer Mensch-Maschine-Schnittstelle ausführen. Damit ist es möglich, das Gesamtleistungsprofil von Wearables um bis zu 30 Prozent zu verringern.

Ein solches Modell dezentraler Intelligenz umzusetzen, bedeutet, dass das gesamte System energieeffizienter arbeitet. In gleicher Weise, wie es bereits in der Gebäudeautomation und im IoT zu sehen ist, bestimmt diese Art von Design den Fortschritt. Durch Auslagern einiger MCU-Funktionen und die Möglichkeit, diese bei geringerer Leistungsaufnahme von der Power-Management-Einheit ausführen zu lassen, kann die Batterie in einem Wearable kleiner dimensioniert werden. Unter Umständen ermöglicht die kleinere Ladungsmenge in diesem Fall sogar eine längere Betriebsdauer des Geräts.

Hoher Integrationslevel ist keine Lösung

Entsprechend dem Mooreschen Gesetz hat die Halbleiterindustrie immer kleinere Prozessknoten erreicht, sodass immer höher integrierte Chips entwickelt werden konnten. Diese haben zwar viele Vorteile in Bezug auf die Verarbeitungsfähigkeiten gebracht, die aber nicht ohne Kompromisse einhergehen. Und die machen sich besonders bei der Leistungsaufnahme von tragbaren Elektronikgeräten bemerkbar. Der langfristige Fortschritt der Wearables hängt stark davon ab, wie sehr sich das Power-Management noch verbessern lässt. Die Umsetzung von dezentraler Intelligenz wird dabei eine große Rolle spielen, da sie sich vom klassischen Denken loslöst, immer wieder auf ein höheres Level an Integration zu setzen.
Entwickler für Wearable-Halbleiterkomponenten müssen sich von dem Gedanken lösen, immer mehr Funktionen auf einen Chip zu integrieren und stattdessen das gesamte System ins Auge fassen. Notwendig ist eine leistungs- anstatt einer integrationsorientierten Perspektive.

 

Der Autor

 

Matthew Tyler

ist Director of Strategic Business Development bei On Semiconductor. Er gehört dem Unternehmen seit dem Jahr 2001 an und begann seinen Werdegang als Mixed-Signal-Entwicklungsingenieur für industrielle Anwendungen, Automotive sowie Mobilkfunk. Sein bisheriges Tätigkeitsfeld umfasst die Produktentwicklung, das Produktmanagement und die strategische Vermarktung. Im Jahr 2008 hielt er ein Seminar zur Physik von Halbleiterkomponenten und -systemen an der University of Utah, an der er zuvor selbst studierte hatte und mit dem Bachelor of Science in Electrical Engineering (BSEE) abschloss. Matthew Tyler ist Inhaber verschiedener Patente u.a. in den Bereichen Sensorik, Stromversorgung und der Geräteherstellung.
Matthew.Tyler@onsemi.com