Leistungsaufnahme Raspberry Pi unter Strom

Die Raspberry-Pi-Familie umfasst mittlerweile 17 Mitglieder. So unterschiedlich die Ausstattung der Raspberry-Pi-Boards ist, so verschieden ist auch ihre Stromaufnahme. Wir haben sie im Detail analysiert und zeigen Optimierungsmöglichkeiten auf.

Das aktuelle Board Raspberry Pi4B [1] wurde im Juni 2019 vorgestellt und bietet als wesentliche Neuerungen gegenüber dem Vorgänger (RP 3B+) vier Cortex-A72-Kerne mit einem Takt von 1,5 GHz, einen LPDDR4-SDRAM-Speicher mit einer maximalen Kapazität von bis zu 4 GByte, eine USB-3.0-Schnittstelle, eine verbesserte Ethernet-Anbindung sowie erweiterte WLAN- und Bluetooth-Fähigkeiten. Die Rechenleistung soll laut Rasperry Pi Foun- dation bis zu dreimal so hoch sein, wie beim RP 3B+, der seine vier Cortex-A53-Kerne (BCM 2837) mit 1,4 GHz taktet. Die tatsächliche Leistungssteigerung ergibt sich in der Praxis im jeweils konkreten Anwendungsfall. Die mögliche Leistungssteigerung ist wesentlich dem LPDDR4-Speicher (statt LPDDR2) geschuldet und nicht allein dem neueren Kern (BCM 2711). Der RP-SoC wird in einem 28-nm-Prozess statt wie bisher in einem 40-nm-Prozess gefertigt, was die Energieaufnahme reduziert.

Gleichwohl wird der SoC selbst im Idle-Modus mit bis zu 60 ºC recht heiß. RP 4B ist das bisher leistungshungrigste Board, für das ein 5-V-Netzteil mit einer Leistung von 3 A empfohlen wird, welches mit einem USB-C- statt wie bisher mit einem Micro-USB-Anschluss zu verbinden ist. Bei der empfohlenen Leistung des Netzteils geht man davon aus, dass einiges an Peripherie angeschlossen wird – sei es an die GPIO-Ports, den CSI- und den DSI-Connector oder an die USB-Anschlüsse, wobei insbesondere die beiden USB-3.0-Ports viel Leistung verbrauchen. Das lässt sich einfach durch angeschlossene USB-3.0-Speichersticks feststellen, die im Betrieb entsprechend warm bis heiß werden – ein Phänomen, welches allgemein bekannt und nicht spezifisch für die Raspberry-Pi-Boards ist.

Anzahl aktiver KerneStromaufnahmeBootzeit
1337 mA6,245 s
2310 mA4,871 s
3277 mA4,635 s
4237 mA4,510 s

 

Tabelle 1: Einfluss der Anzahl verwendeter CPU-Kerne auf die Stromaufnahme und Bootzeit.

Raspberry Pi mobil

Für mobile Anwendungen ist ein Steckernetzteil nicht geeignet, stattdessen ist eine Batterie oder ein Akkumulator nötig. Um die Akkus aufzuladen, sind entsprechende Ladegeräte notwendig, was wie beim Einsatz von Batterien einen Wechsel der Zellen bei Erschöpfung erfordert. Deshalb ist neben dem Spannungsregler für 5 V noch eine Ladeschaltung für die Akkus in der Schaltung selbst wünschenswert, die sich möglicherweise auch per Solarzelle betreiben lässt. Dies setzt allerdings einen Boost-Converter voraus, der die Spannung von Solarzellen auf einen nutzbaren Pegel anhebt.

Diese Komponenten gibt es bereits zusammengefasst in fertiger Form als Power Banks, Power-Packs oder USB-Battery-Packs, die für das Aufladen von Smartphones unterwegs gedacht sind. Im täglichen Umgang zeigt sich, dass sich die in einer Power Bank integrierten Akkus über eine vorgesehene Solarzelle selten vollladen lassen, sodass das Laden meist über den USB oder das mitgelieferte Netzteil erfolgt. Die Kapazität einer Power-Bank muss dabei mit der intendierten Anwendung korrelieren.

Um mit möglichst wenig Energie auszukommen, muss man sich spätestens für den Betrieb als mobiles Embedded-System genau überlegen, welche Komponenten und Software für die spezielle Anwendung tatsächlich nötig sind. Mit verschiedenen Methoden ist es möglich, die Stromaufnahme zu reduzieren, sodass sich damit auch Anwendungen realisieren lassen, die relativ wenig Energie benötigen. Die A- und die Zero-Modelle sind aufgrund des fehlenden LAN-Controllers/USB-Hubs generell genügsamer als die B-Modelle.

Die neueren Raspberry-Pi-Modelle verfügen über Komponenten (Bluetooth/WLAN-Chip), die bei älteren nicht vorhanden sind. Das kann zu einer höheren Stromaufnahme führen, zumal der SoC auch immer höher getaktet wird und mehrere Kerne beinhalten kann. Gleichwohl führen diese Weiterentwicklungen nicht zu einer merklich höheren Stromaufnahme gegenüber den älteren Modellen, denn die WiFi/Bluetooth-Chips schalten bei Nichtbenutzung automatisch in einen effektiven Energiesparmodus. Falsch ist die Annahme, dass die Energieaufnahme mit mehr aktiven Kernen ansteigt.