Stromversorgung von Wearables Lang lebe die Knopfzelle

Stabiles Signal bei kurzem Intervall

Im WLAN-802.11-Funkprotokoll gibt es Datenrahmen (Frames), die Informations- und Verwaltungsblöcke zur Unterstützung der Datenübertragung enthalten. Die Beacon-Frames sind eine Art von Management-Frames, die sich über die Konfiguration des Access Points einstellen lassen. Damit kann jede Station die Kommunikation aufbauen und aufrechterhalten. Beacon-Signale werden als Auffindemechanismus im Leistungsbereich von -40 bis +4 dBm zur Übertragung des Signals verwendet.

Die Beacon-Frames führen zu mehr Overhead oder Bits und verursachen eine höhere Verlustleistung. Jeder Beacon-Frame enthält Informationen wie das Beacon-Intervall (100 bis 2000 ms), das die Zeit zwischen jeder Beacon-Übertragung darstellt und normalerweise etwa 50 Byte lang ist.

Geht eine Station in den Stromsparmodus, muss sie das Beacon-Intervall kennen, damit sie zum richtigen Zeitpunkt aktiviert wird, um das Beacon-Signal zu empfangen und ihren eigenen Takt zu aktualisieren. Das dient zur Synchronisation des Timings zwischen allen Stationen, die mit einem Access Point kommunizieren. Je kürzer das Beacon-Intervall ist, desto stabiler ist das Signal – das kann aber erhebliche Auswirkungen auf die Lebensdauer der Batterie haben.

Jeder Beacon trägt auch Informationen über die Datenraten, die das WLAN unterstützt. Durch ein höheres Beacon-Intervall lässt sich die Anzahl der Beacons und der Overhead reduzieren. Damit wird der Assoziations- und Roaming-Prozess weniger reaktionsschnell. Es könnte auch das Beacon-Intervall verkürzt werden, was zu einer Erhöhung der Beacon-Rate und des Overheads führt.

Jedoch brauchen dadurch weitere Blöcke im Energiesparmodus mehr Strom, da sie häufiger aktiviert werden müssen und die Vorteile der Energiesparmodi gehen dadurch verloren. Außerdem wird ein Tool benötigt, um alle Parameter für die verschiedenen Anwendungen einzugeben und die gesamten Designparameter zu betrachten. Damit lässt sich die Berechnung des Strombedarfs durchführen und letztendlich die Batterielebensdauer abschätzen (Tabelle 3).

ApplikationEmpfangene Beacons im aktiven ModusPakete der übertragenen Nutzlasten im aktiven ModusAktivität (s)In-Aktivität (s)Byte-Größe der NutzlastZeit zwischen Beacons (ms)Lebensdauer der Knopfzelle (Jahre)
# 11011301101002,025
# 15519002001000,4281

 

Tabelle 3: Auswirkungen der Änderung der Designparamater auf die Batterielebensdauer. (Quelle: On Semiconductor)

Je kürzer die Beacon-Intervalle sind, desto kürzer ist die Batterielebensdauer, aber desto schneller kann das Gerät bzw. System entdeckt werden. Die Sendeleistung beeinflusst direkt die Signalreichweite wobei mehr Leistung einer längeren Reichweite entspricht. Eine höhere Leistung kann das Signal auch stabiler machen – allerdings wirkt sich das negativ auf die Batterielebensdauer aus.Die aktive Leistungsaufnahme hängt von der Versorgungsspannung und der Frequenz ab (f*U2).

Dadurch lässt sie sich durch dynamische Regelung der Versorgungsspannung oder Modulation die Taktfrequenz steuern. Wird weniger Leistung benötigt oder wird der Schlafmodus aktiviert, kann das System entweder die Frequenz senken oder die Versorgungsspannung des Systems verringern.

Super niedriger Ruhestrom

Ein neuer Trend im Power Management, um eine geringere Gesamtverlustleistung zu erzielen, ist eine Super Low Quiescent Current (SLIQ, Super niedriger Ruhestrom) DC-DC und LDO mit »Mode-Select«-Funktion (Bild 5). Durch das Absenken der Ausgangsspannung des DC-DC für den SLIQ- oder Schlafmodus, kann die Spannung über dem LDO ebenfalls verringert werden, was zu einer geringeren Verlustleistung über den LDO-Bausteinen führt (Bild 6).

Der Vorteil des Designansatzes mit SLIQ DC-DC oder SLIQ LDO, ist die Möglichkeit, den IQ beim Übergang vom aktiven Modus in den SLIQ-Modus zu ändern oder zu senken. Die Ausgangsspannungen lassen sich auch mit einer vorab wählbaren Offset-Spannung ändern, so dass sie im aktiven Modus von einer höheren Spannung (0,8 V) auf eine niedrigere Ausgangsspannung (0,6 V) beim Übergang in den SLIQ-Modus geändert werden können, z.B. während des Speichererhalts.

Damit ein Wearable eine möglichst lange Batterielebensdauer bietet, muss ein entsprechendes Design einen ASIC mit geringem Stromverbrauch berücksichtigen, der trotzdem eine hohe Rechenleistung bietet. Die Funkanbindungsprotokolle wie Bluetooth Smart und ZigBee – mit einem Leistungsverstärker im Funkblock, Stromversorgungs-ICs und Sensoren mit niedrigen Leckströmen – müssen alle speziell für Anwendungen mit einem extrem niedrigen Stromverbrauch ausgelegt sein.

Damit eine Knopfzelle mehrere Monate oder sogar Jahre in Betrieb bleibt, müssen die Datenrate, das Beacon-Intervall und die Sendezeit berücksichtigt werden, um die durchschnittliche Stromaufnahme im Aktivmodus auf einen niedrigen zweistelligen mA-Bereich und auf wenige nA im Sleep-Modus zu senken.

Die Verwendung des Lastschalters zum aktiven Trennen des Leistungsverstärkers und des digitalen Abschnitts von den Versorgungsschienen kann den Strombedarf verschiedener Blöcke ebenfalls erheblich verringern, sofern sie gerade nicht verwendet werden. Mit SLIQ DC-DC sowie der Weiterleitung des Ausgangs über einen SLIQ LDO mit geringem Spannungsabfall und MODE-Select-Pin lässt sich der Strombedarf ebenfalls verringern und die Batterielebensdauer verlängern.