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Energiesparender Raspberry Pi

22. Mai 2015, 11:01 Uhr | Von Klaus Dembowski

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

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In [1] ist das neue Compute Module mit der dazugehörigen Trägerplatine (I/O Board) erläutert, die mit Hilfe des Reglers PAM2306 die 3,3 V und die 1,8 V aus den 5 V eines Steckernetzteils generiert, was gleichermaßen bei den „+“-Modellen praktiziert wird. Für die Versorgungsspannung von 2,5 V, die insbesondere für den Audioausgang (DAC) zuständig ist, wird weiterhin ein Linearregler (LDO, AP7115) eingesetzt, wobei beim Compute Module bzw. beim dazugehörigen I/O Board kein Audioausgang vorhanden ist.

Dem neuen Audioausgang wird eine bessere Qualität als der vorherigen Lösung bescheinigt, was wohl daran liegt, dass er mit 2,5 V statt 1,8 V versorgt wird, der Ausgangspegel auf 1,25 V_pp von 1,1 V_pp angehoben sowie die Ausgangsimpedanz von 100 Ω auf 50 Ω reduziert wurde, also eine Veränderung des RC-Netzwerkes am PWM-Ausgang [2] des BCM2835 stattgefunden hat.

Der Grund dafür, dass weiterhin ein Linearregler eingesetzt wird, ist sicher das gerade bei Analogsignalen störende Schaltverhalten eines Schaltreglers. Gleichwohl hängt der AP7115 am 3,3 V-Anschluss des PAM2306-Schaltreglers, sodass kritische Hörer über neue Störsignale in Form von hochfrequenten Pulsen im Audiosignal berichten. Diese Audioproblematik, die insbesondere für den Aufbau von Media-Center-Lösungen relevant ist, existiert nur beim analogen Audioausgang und nicht, wenn Audio vom Raspberry Pi per HDMI an ein Ausgabegerät übertragen wird, was demnach weiterhin die bessere Lösung ist.

Im Übrigen werden in den Steckernetzteilen für den Raspberry Pi ebenfalls Schaltregler eingesetzt, deren Qualität sehr unterschiedlich ist, was nicht nur die Genauigkeit der Ausgangsspannung, sondern auch die Größe der produzierten Störsignale betrifft.

Low-Power-Maßnahmen

Der Stromverbrauch eines Raspberry Pi hängt generell von den folgenden Konstellationen und Betriebsparametern ab:

Angeschlossene USB-Geräte,
Zusätzliche Peripherie: an GPIO, SPI und I²C,
Prozessorspannung und -Taktrate: per raspi-config anpassbar,
Betriebssystem: genauer Typ, mit oder ohne Desktop,
Betriebsmodus und Applikationen: Aktivphasen und angepasste Programmierung,
Spannungsversorgung und -umsetzung: Reglertyp und Modifizierungen.

Der BMC2835 basiert auf einem ARM 11 (ARM1176JZF-S), der ca. 12 Jahre alten ARMv6-Architektur, die aus heutiger Sicht sowohl in puncto Performance als auch in der Energieeffizienz überholt ist. Gefertigt wird der SoC mit dem aufgesetzten SDRAM-Speicher von Sony in Schottland in Strukturbreiten von 130 bis 90 nm. Bei der Leistungsaufnahme wird grundsätzlich zwischen einer dynamischen und einer statischen unterschieden, die als Summe den Gesamtverbrauch (P) im Betrieb ergeben:

P = P_dyn + P_static

Die dynamische Leistungsaufnahme ist von der Taktfrequenz (f) abhängig, während die statische sich im nicht aktiven Schaltzustand konstruktionsbedingt durch Leckströme (I_static) ergibt. Die Leckströme resultieren aus dem jeweiligen Chipaufbau (Widerstände der Leiterbahnen, Transistoren) und steigen mit höherer Integrationsdichte an. Während die statische Leistungsaufnahme bei Strukturen von 100 nm und mehr meist noch zu vernachlässigen ist, ist dies bei kleineren Strukturen nicht mehr zulässig, was hier aber nicht von Bedeutung ist, weil der BCM2835 nicht in solch kleinen Strukturen gefertigt wird.

P_static = I_static · UCC

Mit dem Widerstand (R = U/I) ergibt sich mit der Formel für die Leistung der Zusammenhang P = U²/R, d.h., die Leistung ist proportional zum Quadrat der Spannung, sodass eine Reduzierung der Spannung um die Hälfte nur noch ein Viertel der Leistungsaufnahme zur Folge hat, was für den Entwickler deshalb ein probates Mittel ist, um die Leistungsaufnahme eines Prozessors zu verringern. Für die dynamische Leistungsaufnahme gilt der folgende Zusammenhang:

P_dyn = f · C_L · U²_CC

Der Kondensator C_L repräsentiert dabei die Kapazität, die sich durch die Transistoren im Chip ergibt. Es zeigt sich, dass die Taktfrequenz (f) ebenfalls einen großen Einfluss auf den Stromverbrauch hat, denn sie ist proportional zur dynamischen Leistungsaufnahme.

Die beiden physikalisch gegebenen Parameter Takt und Versorgungsspannung, die maßgeblich den Stromverbrauch bestimmen, lassen sich in bestimmten Schritten per raspi-config festlegen, was, wie der Einfluss des jeweiligen Betriebssystems, in [3] behandelt ist.