Stromversorgung von Wearables Lang lebe die Knopfzelle

Den Strombedarf senken

Entscheidend beim Einsatz von Prozessoren sind Energiespartechniken, die die interne Betriebsspannung reduzieren, die Oszillatorfrequenz im Stand-by-Modus verringern und die Leistung von Schaltungen optimieren, um den Strombedarf zu senken. Dabei existieren zahlreiche Lösungen für alle Logikblöcke, sowohl im Aktiven als auch im Stand-by-Modus.

Eine Technik ist zum Beispiel Clock-Gating, mit der sich die aktive Verlustleistung in einem System verringern lässt. Dabei wird der Takt – jedoch nicht der Strom – nur dann auf bestimmte Logikblöcke geschaltet, wenn Aufgaben (Tasks) anstehen. Sind keine ausstehenden Tasks vorhanden, kann die Taktquelle für einen bestimmten Logikblock ausgeschaltet werden, was die Leistungsaufnahme dieses speziellen Blocks reduziert.

In vielen medizinischen Anwendungen sind die ASICs mit geringer Leistungsaufnahme bzw. ein Prozessor dafür verantwortlich, die Daten zu sichern. Dabei werden die empfangenen Daten verschlüsselt und entschlüsselt, bevor sie per Funk – PAN, WAN oder LAN – an ein Gateway und schließlich an eine Cloud-basierte End-to-End-Datenanbindungsplattform übertragen werden.

Die Kombination aus Sensor, Prozessor, Übertragungsweg und Gateway arbeitet in Verbindung mit einer benutzergesteuerten Anwendung – wie Heimautomatisierungs-Apps, Sicherheit, Einzelhandel und Tracking – die für die ordnungsgemäße Verwendung aller gesammelten Daten entscheidend ist. Wird eine Funktechnik für die Endanwendung ausgewählt, sind die zu erwartende Batterielaufzeit, der maximale Datendurchsatz, der Stromverbrauch, die maximale Entfernung und die Frage, ob das Gerät über Wi-Fi mit dem Internet verbunden werden soll, zu berücksichtigen.

Was beeinflusst die Batterielaufzeit?

AusgabeUBAktiver ModusSchlaf-Modus
HF-Anfang0,8 V3 mA0 mA
Digital/Speicher0,8 V/0,6 V10 mA10 mA
PA (WMA)1,8 VTBDTBD

 

Tabelle 1: Vorläufige Designanforderungen bei einer 3-V-Knopfzelle mit einer Kapazität von 240 mAh. (Quelle: On Semiconductor)

Anhand eines Wearable-Designs mit WLAN soll herausgefunden werden, wie sich der Umfang der gesammelten Daten, Übertragungsgeschwindigkeit, Sicherheit, übertragene Paketgröße, Pulslasten etc. auf den Strombedarf und die erwartete Batterielaufzeit auswirken.

Tabelle 1 enthält nicht genügend Informationen, um ein vollständiges Design zu ermöglichen – erlaubt aber, ein vorläufiges Blockdiagramm (Bild 3) für die Stromversorgung zu erstellen.

Bei einem anderen Lösungsansatz wird dagegen die Stromzufuhr für die Blöcke abgeschaltet, die nicht verwendet werden. Der Leistungsverstärker (PA, Power Amplifier) am Ende des Funkblocks nimmt am meisten Strom auf und lässt sich mit einem Lastschalter ein- und ausschalten. Der Strombedarf des PA für die HF-Leistung in dBm berechnet sich wie folgt: Die HF-Leistung für Wi-Fi im 2,4-GHz-Betrieb beträgt in etwa 17 dBm (50 mW), im 5-GHz-Betrieb etwa 16 dBm (40 mW) und 20 dBm (100mW) bei der maximal erlaubten HF-Sendeleistung (Tabelle 2).

AusgabeHF-Leistung dBm / mWU0Aktiver ModusSchlaf-Modus
HR-Analog 0,8 V3 mA0 mA
Digital/Speicher 0,8 V/0,6 V10 mA3 µA
PA (WiFi) 17 dBm bei 2,4 GHZ
17 dBm / 50 mW
 
1,8 V28 mA0
PA (WiFi) 16 dBm bei 5,0 GHZ16 dBm / 40 mW1,8 V22 mA0
PA (WiFi) 20 dBm max HF-Leistung bei 2,4 GZ20 dBm max HF-Leistung /100 mW1,8 V56 mA0

 

Tabelle 2: Designanforderungen und Strombedarf für den Leistungsverstärker (PA) bei einer 3-V-Knopfzelle mit einer Kapazität von 240 mAh. (Quelle: On Semiconductor)

Jede Übertragung führt dazu, dass die andere Seite ein Quittungssignal (ACK) zurücksendet, somit Sende- und Empfangsleistung verbraucht wird und der Strom zwischen Sender (TX) und Empfänger (RX) fluktuiert. Der TX-Strom (30+ mA) ist größer als der RX-Strom (5 mA) mit einer aktiven TX/RX-Dauer von etwa 2 ms, wobei
die restliche Zeit im Schlaf- oder Funkbaken-(Beacon)-Empfangsmodus verbracht wird (Bild 4). Viele Leistungs­verstärker oder HF-Sender in Wearables verbringen die meiste Zeit im Schlafmodus und senden nur die gemessenen und verarbeiteten Daten auf einer sehr niedrigen Basis von Arbeitszyklen. Sie benötigen außerdem eine beträchtliche Menge an Strom. Bevor also die Lebensdauer der Batterie abgeschätzt werden kann, muss erst der durchschnittlichen Strombedarf berechnet werden, indem mehr Details über das Timing herausgefunden werden.

Die Dauer der tatsächlichen Übertragung hängt von vielen Faktoren wie der Byte-Größe, der Anzahl der Pakete, dem Beacon-Intervall, dem Codierungs-Overhead der Daten und der Gesamt­anzahl der zu übertragenden Bits ab.