Silicon Labs Stromverbrauch auf Systemebene optimieren

Was braucht es für ein Low-Power-Design? Einen Mikrocontroller der wenig Strom verbraucht und Entwicklungs-Tools, die ein »Stromverbrauchsbewußtsein« haben. Silicon Labs hat nun beides vorgestellt.

Die Precision32 SiM3L1xx Mikrocontroller und die zugehörige Entwicklungsumgebung von Silicon Labs ermöglichen es Designern, den Stromverbrauch im Aktivmodus auf 175 µA/MHz und im Sleep-Modus auf 250 nA zu senken, wobei die Echtzeituhr (RTC) bei 3,6 V aktiviert bleibt. Die neuen Mixed-Signal-MCUs eignen sich vor allem für Smart Meter, Verbrauchsüberwachung, Home Automation, Wireless Security, medizinische Handheld-Geräte etc.

»Stromsparende Mikrocontroller sind eine wichtige Voraussetzung für IP-fähige Geräte, die an das Internet angeschlossen werden«, berichtet Mike Salas, Vice President Microcontroller Products von Silicon Labs. Experten gingen davon aus, dass das "Internet der Dinge" im Jahr 2020 an die 50 Milliarden Geräte umfassen wird, die über drahtlose Netzwerke automatisch Messen, Überwachen, Verarbeiten, Steuern und Kommunizieren. Da viele dieser intelligenten Endknoten über Batterien oder Energy Harvesting versorgt werden, benötigen sie extrem stromsparende MCUs.

Die SiM3L1xx-Serie basiert auf einem ARM Cortex-M3-Core, der mit bis zu 50 MHz betrieben wird, enthält stromsparende Peripherie und architektonische Neuerungen, mit den sich der Stromverbrauch sogar unter den vieler 8-Bit-MCUs senken lässt. Die geringe Stromaufnahme im Aktivmodus wird durch zahlreiche Neuerungen erreicht. So passt eine dynamische Spannungsskalierung die interne Spannung nach den sich ändernden Bedingungen an. Ein integrierter, hocheffizienter DC/DC-Wandler verringert die aktive Leistungsaufnahme um 40 Prozent im Vergleich zu anderen 32-Bit-MCUs. Spezielle Peripherie wie ein Datentransfer-Manager, AES-Verschlüsselungsblock und Laufzeit-Encoder beschleunigen die Verarbeitung des HF-Protokolls bei Funkanwendungen, ohne dabei die CPU zu aktivieren.

Ein  verbesserter Direct Memory Access kann die protokollbezogene Stromaufnahme um 90 % senken, und der Erhalt des RAM und Registerzustands ermöglicht schnelle Wake-up-Zeiten von nur 4 µs. Die MCUs verfügen außerdem über einen patentierten LCD-Controller mit Ladungsumverteilungsarchitektur, der den Stromverbrauch des Displays ohne Leistungseinbußen um fast 40 % senkt.

Die geringe Stromaufnahme im Sleep-Modus ist das Resultat einer auf niedrigen Stromverbrauch optimierten internen Peripherie. Die Ladungspumpe beispielsweise erzeugt eine effiziente Eingangsspannung für die MCU-Schaltkreise im Sleep-Modus, damit verringern sich die Analog-Sleep-Ströme um 35 % und die Digital-Sleep-Ströme um 50 %.

Die zugehörigen Entwicklungs-Tools tragen dazu bei, den Stromverbrauch auf Systemebene zu senken. Eine patentiertes Spannungswandlungstechnik und die Peripherie verringern dabei den Stromverbrauch anderer ICs im System. So senkt der effiziente DC/DC-Wandler den Betriebsstrom des gesamten Systems. Wird die Ausgangsspannung auf den niedrigstmöglichen Wert anderer ICs gesetzt, die mit dem Controller verbunden sind, minimiert sich der Gesamtverbrauch.

Silicon Labs kostenlose Eclipse-basierte IDE- und AppBuilder-Software enthält neuartige Funktionen zur Abschätzung des Stromverbrauchs und bietet eine Konfigurationsanleitung, um eine geringstmögliche Stromaufnahme zu erzielen. Der "PowerEstimator" beispielsweise bietet eine grafische Darstellung des Gesamtstromverbrauchs und der zusätzlichen Ströme für aktivierte Peripherie. Die reinen Stromverbrauchswerte für jeden Peripherieblock zeigen auf, wo Energie verbraucht wird. Ein Tortendiagramm zeigt in Bezug zum Gesamtstromverbrauch den prozentualen Anteil jeder Peripherie an. "PowerTips" bietet eine Softwarekonfigurations-Anleitung, mit der Entwickler den Stromverbrauch minimieren können. Die Funktion erscheint automatisch innerhalb von AppBuilder, wenn der Cursor über eine konfigurierbare Einstellung bewegt wird.