Längere Batterielaufzeit für Wearables Dezentrales Power-Management

Hohe Leistungsaufnahmen der Geräte sorgen für neue Konzepte im Power-Management.
Hohe Leistungsaufnahmen der Geräte sorgen für neue Konzepte im Power-Management.

Die Leistungsaufnahme heutiger Power-Management-ICs für Wearables ist zu hoch. Zur Problemlösung sind ganz neue Konzepte zum Power-Management nötig.

Die Nachfrage nach tragbaren Elektronikgeräten (Wearables) steigt rasant. Die Analysten von Gartner schätzen, dass im Jahr 2017 bereits an die 320 Millionen Wearables ausgeliefert werden. Das entspricht einem Umsatz im Bereich von 35 Milliarden US-Dollar. Daran haben Smartwatches und Fitness-Tracker (Sportuhren und Armbänder) einen Anteil von wenigstens 60 Prozent.

Das derzeitige Interesse an modernen Wearables suggeriert zwar den Eindruck, dass es sich dabei um eine sehr junge Technik handelt, tatsächlich reichen ihre Wurzeln aber bereits 45 Jahre zurück. Die ersten Beispiele für eine frühe Form der heutigen Wearables kamen Anfang der 1970er- Jahre auf. Es waren die Digitaluhren (Bild 1) von Firmen wie Casio und Pulsar.

Problemfall Batterielaufzeit

Diese Produkte unterschieden sich stark von den heutigen Smartwatches, nicht nur im Hinblick auf den deutlich bescheideneren Funktionsumfang, sondern auch hinsichtlich der Batterielaufzeit. Die war im Vergleich zu heutigen Wearables deutlich länger. Und darin liegt auch das eigentliche Problem moderner Wearables. Da kontinuierlich neue Produkte mit stets zunehmendem Funktionsumfang entwickelt werden, haben sich die zu erwartenden Akkulaufzeiten stark verkürzt. Einfach gesagt: Der heute zu beobachtende Trend geht in die falsche Richtung.

Bei den ersten Versionen dieser Wearable-Vorgänger aus den 1970er-Jahren wurde die Komponenten wie das Display oder der Mikrocontroller direkt an die Batterie angeschlossen. Es gab keine zusätzlichen Schaltkreise für das Power-Management, deren Funktionsweise beim Auslegen der Stromversorgung berücksichtigt werden musste. Die Zeit zwischen einem Batteriewechsel betrug in der Regel zwei, drei oder vielleicht noch mehr Jahre. Für den Nutzer war dies äußerst bequem, da ihn keine unerwartete Abschaltung des Geräts überraschte. Bei der jüngsten Generation von Wearables beträgt die Batterielaufzeit in vielen Fällen weniger als einen Tag. Für ein Gerät, das als autonom funktionierender täglicher Begleiter für den Anwender vermarktet wird, ist das eigentlich eine zu große Abhängigkeit von der Steckdose. Der Anwender muss sich zwangsläufig daran gewöhnen, dass sein Gerät aufgrund einer leeren Batterie den Dienst so lange versagt, bis sich eine Gelegenheit zum Wiederaufladen bietet. Dies kann Nutzer frustrieren und letztlich dazu führen, dass der Verkauf und eventuell auch die technische Weiterentwicklung für bestimmte Geräte auf dem Wearable-Markt ins Stocken geraten.

Beispielbetrachtung Fitness-Tracker

Bei der Entwicklung von Wearables müssen spezielle Eigenschaften berücksichtigt werden, die Auswirkungen auf die Batteriereserven haben. Erstens ist der verfügbare Platz für Batterien begrenzt. Zweitens ist der Markt für Consumer-Elektronik in hohem Maße umkämpft. Die Materialkosten müssen daher auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten werden. Drittens ist zu berücksichtigen, dass die Anforderungen für die Batterie im Laufe der Jahre zwar erheblich gestiegen sind, sich die grundlegende Batteriechemie aber nicht verändert hat. Zum Ausgleich dieses Mankos ist daher ein immer ausgeklügelteres Power-Management erforderlich (Bild 2). Das bedeutet konkret: Eine höhere Effizienz ist genauso notwendig wie das Reduzieren von Leistungsverlusten.

Wearables werden in den verschiedensten Typen und Formen hergestellt. Als praktisches Beispiel für die weiteren Überlegungen zur Stromversorgung wird ein Fitness-Tracker betrachtet. Er ist aktuell einer der am weitesten verbreiteten Wearable-Typen. Die Hauptbestandteile sind:

  • Ein Mikrocontroller für die Datenverarbeitung
  • Ein Display, über das der Nutzer auf verschiedene Daten zugreifen kann (Herzfrequenz, zurückgelegte Strecke, Zeit etc.)
  • Ein Funk-Transceiver mit geringer Leistungsaufnahme zur Übertragung von Daten auf einen PC oder ein Tablet
  • Verschiedene Sensoren
  • Ein unterstützendes Power-Management-System

Jede dieser Komponenten belastet die Batterie. Die technische Weiterentwicklung ermöglicht mittlerweile, dass jede dieser Komponenten bei sehr geringer Leistungsaufnahme betrieben werden kann. Das Display basiert auf TFT-Technik, sodass es mit weniger Leistung als bei früheren Display-Typen auskommt. Beim Umstieg auf neue Prozesstechnologien verringern sich in dieser Hinsicht auch die Anforderungen an den Mikrocontroller. In den meisten Fällen ist der Funk-Transceiver zum BLE-Protokoll (Bluetooth Low Energy) kompatibel.

Alle diese Komponenten sind nur für kurze Zeit in Betrieb. Das bedeutet, dass das Display nur dann voll aktiv ist, wenn der Nutzer Informationen abfragt, und der BLE-Transceiver funkt nur dann, wenn eine Datenübertragung erforderlich ist. Der Mikrocontroller dagegen wird über einen Großteil der Zeit aktiv sein. Die Power-Management-ICs sind grundsätzlich immer aktiv. Obwohl es kontraproduktiv erscheint, können herkömmliche Power-Management-Lösungen den größten Leistungsbedarf während des Wearable-Betriebs aufweisen.