Schwerpunkte

Leistungsmanagement für Mikrocontroller

Batterielebensdauer verlängern

10. Mai 2021, 06:00 Uhr   |  Von Graeme Clark

Batterielebensdauer verlängern
© Federica Fortunat | stock.adobe.com

Die neuen RE-Mikrocontroller von Renesas bieten mehrere Betriebs- und Stromversorgungsmodi, mit denen ein Entwickler die Leistungsaufnahme an die Funktion optimal anpassen kann. So lässt sich Energie sparen – und »Zeit gewinnen« bis die Batterie getauscht werden muss.

Das rasante Wachstum des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT) treibt die Notwendigkeit voran, eine Reihe neuer, batteriebetriebener Geräte mit Mikrocontrollern zu entwickeln, die kommunizieren können und mit Sensorik ausgestattet sind. Der Markt verlangt nach der Erfassung von mehr Daten an mehr Orten mit Geräten, die leistungsfähiger und schneller sind und mit kleineren und billigeren Batterien viel länger durchhalten. Um die Nachfrage nach höherer Rechenleistung bei niedrigeren Strömen zu erfüllen, müssen Entwickler effektiv Zeit von vielen peripheren Systemkomponenten »stehlen«, indem sie die Zeit – und die Energie, die für die Stromversorgung des Systems benötigt wird – auf die wichtigsten Systemkomponenten umverteilen und den Rest vernachlässigen.

Um den Anforderungen dieser neuen Generation von Sensoren gerecht zu werden, hat Renesas eine neue, effiziente Power-Management-Architektur für Mikrocontroller entwickelt, die auf der von Renesas entwickelten Silicon-on-Thin-Buried-Oxid-Prozesstechnik (SOTB) basiert und deren Herzstück ein CPU-Kern der Cortex-M-Serie ist. Diese neue Generation von energiesparenden Mikrocontrollern, die Renesas RE-Mikrocontrollerfamilie, ermöglicht es tatsächlich, Zeit zu gewinnen. Damit lässt sich die Betriebsdauer von Geräten erhöhen, die auf diesem Mikrocontroller aufgebaut sind, obwohl gleichzeitig kleinere Batterien zum Einsatz kommen.

Zwei Faktoren beeinflussen die Leistungsaufnahme

Die Leistungsaufnahme von Mikrocontrollern setzt sich aus zwei Teilen zusammen. Der erste Teil ist die dynamische Leistungsaufnahme, die proportional mit der Betriebsfrequenz ansteigt. Der zweite Teil ist die statische Leistungsaufnahme, die nicht mit der Betriebsfrequenz, sondern mit der Betriebsspannung und der Temperatur des ICs zusammenhängt:

Dynamische Leistungsaufnahme

  • Schaltleistung wird während des Ladens und Entladens von Lastkapazitäten benötigt.
  • Interne Leistungsaufnahme durch den Strom, der im Falle eines CMOS-Kurzschlusses durch den IC fließt.

Statische Leistungsaufnahme

  • Leistungsaufnahme durch den Betrieb der analogen Schaltungsteile wie interner Oszillator und Spannungsregler.
  • Leistungsaufnahme verursacht durch Leckstrom.
Die Leistungsaufnahme eines Mikrocontrollers wird durch seine statischen Eigenschaften (Leckstrom, analoge Funktionen) und seine dynamischen Eigenschaften (Schalten von Kapazitäten) beeinflusst
© Renesas Electronics

Bild 1. Die Leistungsaufnahme eines Mikrocontrollers wird durch seine statischen Eigenschaften (Leckstrom, analoge Funktionen) und seine dynamischen Eigenschaften (Schalten von Kapazitäten) beeinflusst. Mit steigender Taktfrequenz nimmt die dynamische Verlustleistung zu.

Beim Entwurf von Embedded-Systemen ist die Reduzierung der dynamischen Leistungsaufnahme der Schlüssel, um eine niedrige Stromaufnahme zu erzielen. Deshalb muss, wo immer es möglich ist, die Taktfrequenz des Mikrocontrollers reduziert und die Stromaufnahme gegen eine höhere Rechenleistung abgewogen werden. Die statische Stromaufnahme ist spezifisch für den IC und die Umgebungsbedingungen. Er kann nicht durch die Anwendung reduziert werden. Bild 1 verdeutlicht die Leistungsaufnahme eines Mikrocontrollers.

Einfluss der Taktfrequenz auf die Leistungsaufnahme

Die dynamische Leistungsaufnahme hängt von der Frequenz ab, mit der interne Signale im Mikrocontroller geschaltet werden. Strom fließt, wenn im Zuge dieses Schaltvorgangs sowohl PMOS- als auch NMOS-Transistoren gleichzeitig »Ein« sind (Bild 2).

Strompfad der dynamischen Leistungsaufnahme in einer CMOS-Logikstufe
© Renesas Electronics

Bild 2. Strompfad der dynamischen Leistungsaufnahme in einer CMOS-Logikstufe.

Der Strom fließt, um die parasitäre Kapazität der Verdrahtung und die Gate-Kapazität der nachfolgenden Stufe zu laden oder zu entladen. Die parasitäre Kapazität der Verdrahtung und die Gate-Kapazität sowie die Versorgungsspannung sind konstant, sodass die dynamische Leistungsaufnahme proportional zur Frequenz ist. Eine Verringerung der Betriebsfrequenz kann daher die Leistungsaufnahme reduzieren.

Die dynamische Leistungsaufnahme

  P subscript d y n end subscript tilde C cross times U squared cross times f

mit:
C = Gate-Kapazität, parasitäre Kapazität der Verdrahtung (konstant),
U = Spannung (konstant),
f = Frequenz

Weitere Einflussfaktoren auf die Leistungsaufnahme

Die statische Leistungsaufnahme wird durch Analogfunktionen des Mikrocontrollers, wie den Unterspannungsdetektor, den Komparator oder den internen Spannungsregler bedingt, die alle unabhängig von der Betriebsfrequenz Leistung aufnehmen. Das Anhalten des Betriebs der Analogschaltungen oder das Ändern der Betriebsart kann diese Leistungsaufnahme reduzieren.

Auch der Leckstrom, der durch den Herstellungsprozess selbst verursacht wird, hat einen Anteil an der statischen Stromaufnahme. Um diesen Strom zu minimieren, muss die richtige Spannung und Betriebstemperatur eingehalten werden, damit der Leckstrom nicht ansteigt.

ufbau der CMOS-Transistoren für die Logik und für analoge und periphere Funktionen beim SOTB-Prozess
© Renesas Electronics

Bild 3. Aufbau der CMOS-Transistoren für die Logik und für analoge und periphere Funktionen beim SOTB-Prozess.

Die SOTB-Prozesstechnik ermöglicht es, sowohl die dynamische als auch die statische Leistungsaufnahme zu reduzieren (Bild 3). Die digitalen Funktionen des Mikrocontroller-ICs, wie SRAM, CPU und Peripheriefunktionen, werden durch eine geregelte interne Spannungsversorgung gespeist und durch Transistoren realisiert, die auf der SOTB-Technik basieren.

SOTB-basierte Transistoren haben eine dotierungsfreie Kanalstruktur, die die Varianz der Schwellenspannung des Transistors im Vergleich zu herkömmlichen Si-Transistoren signifikant reduzieren kann. Der Mikrocontroller kann daher mit einer viel niedrigeren Betriebsspannung arbeiten, was die dynamische Stromaufnahme reduziert. Eine planare Doppel-Gate-Struktur ermöglicht die Steuerung der Vorspannung des rückseitigen Gates und kann somit den Leckstrom im niederfrequenten Betrieb und im Bereitschaftsmodus durch Steuerung der Substratvorspannung (Back Bias) reduzieren.

Leistungsaufnahme anpassen per Stromversorgungsmodus

Die neue RE-Mikrocontrollerfamilie verfügt über eine Reihe zusätzlicher Stromversorgungsmodi, die es ermöglichen, die Leistungsaufnahme für jede spezifische Betriebsbedingung zu optimieren. Mit diesen Modi ist es möglich, die dynamische Stromaufnahme im Betrieb mit bis zu 64 MHz zu minimieren und den Leckstrom im 32,768-kHz-Betrieb und in den Bereitschaftsmodi zu reduzieren.
Intern ist der Mikrocontroller in vier Versorgungsbereiche unterteilt, von denen jeder mit Strom versorgt oder von der Stromversorgung isoliert werden kann. Die Stromversorgung für diese Bereiche kann aus den folgenden drei Stromversorgungsmodi ausgewählt werden:

  • ALLPWON-Modus. In diesem Modus sind alle Funktionen im Mikrocontroller verfügbar.
  • EXFPWON-Modus. Die Stromversorgung der Flash-Speicherdomäne wird abgeschaltet, sodass die Stromaufnahme reduziert wird.
  • MINPWON-Modus. Es werden nur die minimal benötigten Funktionen mit Strom versorgt, was die Stromaufnahme weiter reduziert.
Seite 1 von 2

1. Batterielebensdauer verlängern
2. Leistungsaufnahme per Betriebsmodus steuern

Auf Facebook teilen Auf Twitter teilen Auf Linkedin teilen Via Mail teilen

Verwandte Artikel

Renesas Electronics Europe GmbH