Mikrocontroller Energy-Harvesting-Mikrocontroller macht Batterien überflüssig

Der R7F0E ist der erste Controller von Renesas, der mit der neuen SOTB-Technologie gefertigt wird.
Der R7F0E ist der erste Controller von Renesas, der mit der neuen SOTB-Technologie gefertigt wird.

Mit einer neuen SOTB-Prozesstechnologie senkt Renesas die Energieaufnahme eines Cortex-M0+-Mikrocontrollers um den Faktor 10. Dadurch lässt sich der Baustein mit Energy Harvesting versorgen.

Dank Low-power-Technik können Mikrocontroller heute bereits mit einer einzigen Lithium-Knopfzelle zehn bis fünfzehn Jahre lang betrieben werden. Renesas geht dank einer neuen Prozesstechnik nun den nächsten Schritt und macht die Batterie ganz überflüssig. Das Herstellungsverfahren heißt Silicon-On-Thin-Buried-Oxide, kurz: SOTB und beruht darauf, dass eine dünne Isolationsschicht in die Transistoren auf dem Chip eingebracht wird.

Die Low-Power-Technik hat in den vergangenen Jahren dank immer kleinerer Prozessgeometrien kontinuierliche Fortschritte gemacht. Allerdings gibt es eine gegenläufige Entwicklung: Mit den letzten Prozessschritten ist zwar die Stromaufnahme gesunken, wenn die Transistoren aktiv bzw. durchlässig sind, hingegen ist der Leckstrom angestiegen. Low-power-Controller verbringen viel Zeit im inaktiven Modus und warten auf Ereignisse, so dass hier die Stromaufnahme im Schlafmodus einer weiteren Senkung des Energiebedarfs entgegensteht.

Die SOTB-Prozesstechnologie sorgt für eine erhebliche Verringerung der Stromaufnahme sowohl im aktiven als auch im Standby-Betrieb. Eine solche Kombination war bisher in konventionellen Mikrocontrollern (MCUs) nicht realisierbar. Diese extrem niedrigen Stromwerte des SOTB- Controllers machen es möglich, den Baustein mit Umgebungsenergiequellen wie Licht, Vibration, Strömung oder Bakterien zu betreiben.

Das erste kommerzielle Produkt von Renesas mit SOTB-Technologie ist der R7F0E, ein Controller mit ARM Cortex-M0+-Kern mit bis zu 64 MHz Taktfrequenz. Er zielt auf die Verarbeitung von Sensordaten und die Ausführung von Analyse- und Steuerfunktionen. Die Stromaufnahme beträgt 20 μA/MHz im aktiven Betrieb und im Deep-Standby 150 nA und liegt damit etwa um den Faktor zehn niedriger als bei herkömmlichen Low-Power-MCUs.

Controller mit »Anlaufstrombegrenzer«

Mit der Senkung des Strombedarfs im Betrieb und im Stand-by ist es allerdings nicht getan. Energy-Harvesting-Quellen stellen nur einen sehr geringen Strom zur Verfügung, der für einen konventionellen Systemstart nicht geeignet ist. Beim booten bzw. Reset werden alle I/Os initialisiert und kurz mit Strom versorgt. Das führt zu einer Stromspitze und damit zu einem Spannungseinbruch, der den Startvorgang unterbrechen würde. Aus diesem Grund hat Renesas in den R7F0E einen »Anlaufstrombegrenzer« eingebaut, der den Startvorgang leicht verlängert, dafür die Stromspitzen vermeidet.

Ein weiteres Schlüsselelement des Controllers ist ein besonders energiesparender Digital-Analog-Umsetzer. Er benötigt nur 3 µA bei kontinuierlichen Betrieb. Ein solch niedriger Wert lässt sich auf konventionellen Mikrocontroller nur mit getriggerten oder getakteten A/D-Umsetzern erreichen. Dabei besteht aber die Gefahr, dass Ereignisse versäumt werden, die just dann eintreten, wenn der A/D-Umsetzer inaktiv ist. Mit dem R7F0E können Sensorsignale kontinuierlich eingelesen werden.

Erste Forschungen für die SOTB-Prozesstechnologie hat Renesas vor 20 Jahren begonnen. Der eigentliche Mikrocontroller hat eine Entwicklungszeit von 4-5 Jahren. Jetzt werden erste Muster des neuen R7F0E-Embedded-Controllers an Beta-Kunden übergeben. Muster für allgemeine Kunden stehen voraussichtlich ab Juli 2019 bereit. Die Serienproduktion soll ab Oktober 2019 beginnen.