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Oryx-Board: Gemeinsames Referenzdesign von Arrow und Sharp

Im Handumdrehen mobile »Stromsparkünstler« entwickeln

15. Dezember 2011, 12:16 Uhr | Karin Zühlke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Technologien und Teamwork der Bauteile bestimmen die Energieeffizienz

Die geringe Stromaufnahme des Oryx Boards resultiert aus dem Zusammenspiel der auf Effizienz getrimmten Low Power Komponenten. Dazu gehören das Sharp Memory LCD vom Typ LS013B4DN04, die Low Power CPU LPC11U14 MCU von NXP, der Linear Technology Shunt Charger Typ LTC4071 sowie eine Reihe von Sensoren so z.B. der Beschleunigungssensor ADXL345 von Analog Devices (Bild 2: Blockdiagramm).

Neue Technologien wie das Sharp Mermory LCD tragen ganz erheblich zur Energieeffizient von Systemen bei. Displays gehören normalerweise zu den Hauptstromverbraucher in einer mobilen Applikation. Doch dank der Memory LCD Technologie trägt das 1,35 Zoll große Display vom Typ LS013B4DN04 mit 4 µA nur einen winzigen Bruchteil zur Gesamtleistungsaufnahme des Oryx Boards bei. Der Grund für den geringen Strombedarf sind die 1-bit Speichereinheiten in jedem Pixel, die die Bildinformationen speichern, die auf den Bildschirm geladen werden. Daher muss die Bildinformation nur in den Pixeln neu geschrieben werden, bei denen der Inhalt sich im Ver-gleich zum vorherigen Bildframe geändert hat.

Auch der NXP Low Power Prozessor vom Typ LPC11U14 MCU mit ARM Cortex M0-Kernel gehört in Leistungsklasse der 50 MHz CPUs mit zu den Strom sparendsten, die derzeit am Markt sind. 8 mA reichen für Betrieb bei voller Auslastung. Was die LPC11U14 MCU aber zum Ultra Low Power Prozessor macht, ist ihr intelligentes Power Management. NXP hat die CPU mit verschiedenen Leistungs- bzw. Schlafmodi ausgestattet, die bereits im normalen Betrieb z.B. durch Absenken der Taktung auf 12 MHz bzw. Nutzung des Deep Sleep Modus die Leistungsaufnahme der CPU drastisch reduzieren. Für eine einfache Handhabung der verschiedenen Modi hat NXP vier vordefinierte Leistungsprofile auf einem separaten ROM Speicher hinterlegt. Je nach Leistungsprofil sind die Arbeitsphasen mit unterschiedlich langen Schlafphasen durchsetzt, in denen der Pro-zessor nicht gebraucht wird, was die Gesamtleistungsaufnahme des Oryx Boards abhängig von der Applikation sehr gering hält.

Patrick Delmer erklärt dies anhand des Beispiels eines Datenloggers: »Die volle Prozessorleistung wird nur bei der Datenerfassung für 20 msec. benötigt, um z.B. einen Temperaturwert und einen analogen Messwert aufzunehmen. Dabei steigt die Stromaufnahme kurz auf 14 mA*. Die restliche Zeit befindet sich das System im Power Down Mode und nimmt dabei nur 6.57 µA* auf.« Erfasst der Datenlogger pro Sekunde einen Messwert ergibt sich ein durchschnittlicher Verbrauch von 286 µA (Bild 4: Powerprofil Datenlogger). Bei einem Messintervall von einer Minute sinkt die Stromaufnahme auf 11,2 µA im Schnitt. D.h. mit der 45 mAh Lithiumionenbatterie des Typs LIR2032 könnte ein Datenlogger auf Basis des Oryx Borads rund 167 Tage ununterbrochen arbeiten. Je nach Dauer des Messintervalls lässt sich dank der verschiedenen Betriebsmodi der CPU die Stromaufnahme des Prozessors auch auf 220 nA absenken, was die Betriebszeit noch einmal erheblich verlängert.

Auftanken mit Sonnenstrom im Stand-by

Um aus dem Stand-by aufzuwachen benötigt die CPU ein externes Signal. Dies erhält sie zum Beispiel bei Berührung der Touchsensoren, von der Real Time Clock (RTC) oder über den integrierten Beschleunigungssensor von Analog Devices (Model ADXL345), der einen Signalimpuls gibt, sobald das Gerät bewegt wird. Ein Feature, das z.B. nützlich ist für die Entwicklung von Fernsteuerungen von TV oder Audiogeräten, die häufig lange Zeit ungenutzt auf dem Tisch lie-gen und erst, wenn sie in die Hand genommen werden, in den Betriebsmodus schalten. Dabei unterliegen auch die Sensoren dem Zwang zur Sparsamkeit: Beschleunigungssensor, Touchsen-sor und Temperaturfühler nehmen zusammen nur 400 nA** auf, so dass das Oryx Board im Stand-by nur 2,27 µA** braucht. In diesem Zustand lässt sich das Referenzdesign daher theoretisch auch durch Solarzellen unter künstlichem Licht wieder aufladen. Tatsächlich liefern Sharps Photovoltaikzellen vom Typ LR0GC11 bei Sonnenlicht bis zu 390 mW Leistung und selbst bei Innenraumlicht noch gut 1 mW. Ausreichend, um im Power Down Mode die Lithiumionenzelle zu laden.

*) Messwert aus exemplarischer Konfiguration
**) Theoretischer Wert basierend auf Spezifikationen der Hersteller