Low Power Design Entwurf von energiesparenden Mikrocontroller-Schaltungen

Sparsame Lösungen beim Energieverbrauch von elektronischer Schaltungen
Sparsame Lösungen beim Energieverbrauch von elektronischer Schaltungen

Die Energieaufnahme elektronischer Schaltungen rückt seit Jahren zunehmend ins Blickfeld von Entwicklern und Anwendern. Batterie- und Akku-Betrieb sowie Energy Harvesting verlangen nach sparsamen Lösungen. Trends wie das Internet der Dinge (IoT), Smart Metering und Heimautomatisierung werden die Nachfrage nach sparsamen Lösungen weiter vorantreiben. Dieser Beitrag gibt Hinweise zum Entwurf energiesparender Mikrocontroller-Schaltungen.

Auch bei netzbetriebenen Geräten wird auf geringe Leistungsaufnahme Wert gelegt. Bei diesen besteht insbesondere im Standby-Betrieb noch großes Einsparpotenzial. In diesem Beitrag werden die Einsparpotenziale am Beispiel u.a. der AVR- und Cortex-basierten MCUs und MPUs von Atmel dargestellt [1]. Viele Hinweise sind aber auf andere Fabrikate sinngemäß übertragbar.

So wichtig wie die Auswahl des passenden Controllers ist die Auswahl geeigneter Komponenten in dessen Umfeld, da Einflüsse auf Gestaltung, Bedienung und Funktion des Endprodukts zu erwarten sind Tasten und Folientastaturen sind unkritisch, da nur während der Betätigung ein geringer Querstrom durch die notwendigen Pull-up- oder Pull-down-Widerstände fließt. Endschaltern und Reed-Kontakten, die dauerhaft im Ein-Zustand verharren können, ist jedoch Aufmerksamkeit zu widmen. Oft können Pull-ups nicht so hochohmig gewählt werden, wie man es gerne hätte, da die Zuleitungen Störsignale auffangen. Werden zur Störunterdrückung zusätzlich Kondensatoren an den I/O-Pins vorgesehen, kann sich gerade bei sehr hochohmigen Pull-ups ein schwer zu findendes Fehlverhalten einschleichen: Die Zuleitungen bilden aufgrund ihrer Induktivität zusammen mit solchen Kondensatoren Schwingkreise, die durch die plötzliche Entladung des Kondensators bei Tastenbetätigung zu Schwingungen mit einer weit über Ucc liegenden Amplitude angeregt werden. Die Amplitude wird dann zwar durch die Eingangsschutzdioden begrenzt, dies führt aber zu derart starken Impulsströmen, dass ein Latch-up am I/O-Pin ausgelöst werden kann.

Abhilfe bringt ein externer, relativ niederohmiger Pull-up zur Bedämpfung der Schwingung oder auch ein Serienwiderstand am Eingang, der den Strom in jedem Fall auf zulässige Werte begrenzt. Der Energieverlust durch Querströme lässt sich durch kurzzeitiges, periodisches Abfragen und anschließendes Abschalten der Tasten minimieren.

Für Potenziometer gilt ähnliches: Nur Zuschalten zur Abfrage der Schleiferstellung, dann wieder einseitig trennen. Konkret kann man ein Ende des Potis an einen I/O-Pin legen, anstatt es mit Masse (GND) zu verbinden. Dieser Pin wird in den Abfragepausen auf High geschaltet. Das andere Ende liegt wie üblich an Ucc des Controllers. Der Schleifer bleibt ebenfalls dauerhaft am entsprechenden Eingang des A/D-Wandlers. Solange nicht abgefragt wird, spart man auf diese Weise sowohl den Querstrom durch das klassischerweise zwischen Ucc und GND liegende Poti und stellt gleichzeitig sicher, dass der mit dem Schleifer verbundene I/O-Pin in dieser Zeit auf vollem High-Pegel liegt. Rechtzeitig vor einer Abfrage der Poti-Stellung wird der I/O-Pin auf Low geschaltet, nach der Abfrage wieder auf High. Der Preis für diese Sparmaßnahme sind ein paar Zeilen Code extra sowie ein höherer Bedarf an I/O-Pins.

Die kapazitive Touch-Eingabe als Tastatur- und Poti-Ersatz wird zunehmend populär. Da entweder ein Spezialbaustein oder der mit einer Software-Lösung programmierte Mikrocontroller in Betrieb sein muss, bietet es sich an, auch hier periodisch abzufragen. Dabei beschränkt man sich zunächst auf einen Kanal, der eventuell bereits auf Annäherung reagiert, und aktiviert den Rest nur bei Bedarf. So lassen sich im Wartebetrieb durchschnittliche Stromaufnahmen im µA-Bereich erzielen. In Atmels SAM4L-Controller mit Cortex-M4-Core wurde die Hardware-mäßige Unterstützung für kapazitive Sensoren übernommen, wie man sie bereits von den 32-bit-AVRs der UC3L-Serie kennt. Noch sparsamer ist der PTC (Peripheral Touch Controller) der Cortex-M0+-basierten SAMD20/21-Reihe – ein eigenes Stück Hardware im Controller, das unabhängig von der CPU arbeiten kann. So sind bei periodischem Betrieb Lösungen mit weniger als 5 µA durchschnittlicher Stromaufnahme im Bereitschaftsmodus möglich.

Sensoren und analoge Peripherie

Magnetische Winkel- und Lineargeber basieren auf dem magnetoresistiven oder dem Hall-Effekt. Letztere schieden früher aufgrund des durch das Hall-Prinzip bedingten Stromflusses für Geräte mit niedrigstem Strombedarf aus. Neuere Entwicklungen machen sie wegen ihrer technischen Vorteile bei (durch periodisches Abfragen) extrem gesenktem Eigenverbrauch auch hier interessant [4].

Sensoren für chemische und physikalische Größen bilden ein weites Feld, so dass in diesem Rahmen nur kurz auf sie eingegangen werden kann. Zumeist gibt es zahlreiche Prinzipien, die miteinander zu vergleichen sind. Bisweilen lässt sich das Erfassen einer Größe sogar mit Energiegewinnung verbinden, wie bei der Helligkeitsmessung über Fotozellen, der Messung von Strömungsgeschwindigkeiten mittels durch die Strömung selbst betriebener Kleingeneratoren, Messungen an Hochspannungsleitungen [9], wo dem Feld ausreichend Energie zum Betrieb autarker funkvernetzter Sensoren entnommen werden kann, oder der Schwingungserfassung über Piezo-Elemente.

Ist solches Energy Harvesting [7] nicht möglich, wird man sich auf periodisches Messen beschränken und ansonsten möglichst viele Komponenten deaktivieren. Auch sind die in der Regel erforderlichen analogen Bauteile sorgfältig auszuwählen; viele Hersteller bieten spezielle Low-Power-Analog-Produkte an, etwa Analog-Sensor-Schnittstellen oder hochauflösende A/D-Wandler mit nur wenigen µA Stromaufnahme [10]. Achtung: Bei A/D-Wandlern wird oft empfohlen, die erste Messung nach dem Ein- bzw. Umschalten des Multiplexers auf einen anderen Kanal zu verwerfen, da die interne Abtast- und Halte-Stufe zunächst noch nicht den korrekten Spannungswert übernommen hat. Durch geschickte Abstimmung der Quellimpedanz mit einer geeigneten Verzögerung bis zur Abtastung kann man bereits die erste Messung verwerten und so insgesamt Zeit und Energie sparen.