Entwicklung von effektiveren intelligenten Geräten: 1. Teil – Energiesparendes Design mit MCUs und PMICs

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Anmerkung des Herausgebers: Diese dreiteilige Artikelserie behandelt die Entwicklung von effektiveren intelligenten Geräten. Im hier vorliegenden 1. Teil werden die energieeffizienten Konstruktionstechniken behandelt, mit denen eine Ausgewogenheit zwischen Energieverbrauch und Leistung erzielt werden kann. Im 2. Teil werden die Herausforderungen von für die Benutzer transparenten Sicherheitsfunktionen behandelt. Im 3. Teil werden die zur Erfüllung der Designziele erforderlichen MCU-Spezifikationen besprochen.

Das drahtlose IoT und tragbare Elektronikprodukte basieren auf energiesparenden Designs, die eine längere Akkulaufzeit ermöglichen. Allerdings kollidieren enge Energiebudgets oft mit der Forderung nach mehr Funktionalität, was Entwickler zwingen kann, größere Batterien zu verwenden, die wiederum längere Ladevorgänge erfordern, die für den Anwender lästig sein können. Gefordert sind daher Lösungen, die einen durchdachteren Ansatz sowohl für die Prozessverarbeitung als auch für das Energiemanagement bieten.

Diese Lösungen müssen die Entwickler auch bei der Erfüllung der immer höheren Erwartungen der Nutzer unterstützen. Die Nutzer erwarten beispielsweise, dass ein intelligentes Produkt ebenso vertrauenswürdig und zuverlässig wie die herkömmliche Version ist. Nur wenige Nutzer werden erwarten, dass, wenn ein intelligentes Schloss keinen Strom mehr bekommt, die Tür nicht mehr verschlossen werden kann. Es wird auch erwartet, dass das Erscheinungsbild des intelligenten Produkts dem der Vorgänger entspricht. Nutzer werden wahrscheinlich eine intelligente Uhr ablehnen, wenn diese beträchtlich größer oder klobiger als andere am Handgelenk getragene Wearable-Geräte ist.

Wichtig ist auch, dass Nutzer von ihrem intelligenten Gerät einen Mehrwert erwarten, der Kauf, Installation und Verwendung rechtfertigt. Schließlich erwarten Nutzer, dass ein „Smart“-Produkt eine Art unsichtbare Intelligenz mitbringt, die etwas Zusätzliches für den Nutzer leistet, während es dem alten Gerät, das es ersetzt, in puncto Bedienung und Erscheinungsbild gleichkommt.

Alle diese Erwartungen üben Druck auf die Faktoren Funktionalität, Abmessungen und Energieverbrauch aus. Aufgrund der Forderungen nach Funktionalität sind meist die MCU und mit ihr zusammenhängende Funktionen der Energieverwaltung die Hauptschuldigen für die Überschreitung des Energiebudgets.

Allerdings sind die Entwickler in der Lage, die dringendsten Anforderungen an Energieversorgung und Leistung mithilfe von modernsten MCUs und PMICs zu erfüllen, ohne die Abmessungen und die Handhabbarkeit zu gefährden.

Herausforderungen bei der Entwicklung

Für die Ingenieure entsteht bei der Entwicklung von Geräten mit unsichtbarer Intelligenz ein Konflikt zwischen Verbrauch und Verfügbarkeit von Energie. Wenn die Entwickler konkurrenzfähige Produkte liefern möchten, müssen sie funktionsreichere eingebettete Systeme bauen, mehr Sensoren integrierten und komplexere Algorithmen einsetzen. Gleichzeitig hängen diese Systeme von Akkus oder Batterien ab und müssen so klein wie möglich sein. Die Kapazitäten der heutzutage typischerweise für IoT-Geräte und Wearables verwendeten Knopfzellen sind auf ein paar Dutzend bis zu einigen Hundert Milliamperestunden beschränkt, wenn sie das IoT-Gerät oder das Wearable nicht physisch überfrachten sollen. Allerdings erwarten die Anwender eine Nutzungsdauer von mehreren Tagen zwischen den Ladevorgängen und eine Bauform, die herkömmlichen Alternativen entspricht.

Sollen alle diese Anforderungen erfüllt werden, müssen zwingend Bausteine mit minimalem Energieverbrauch ohne Einschränkung der Funktionalität eingesetzt werden. Tatsächlich spiegelt das Verhältnis Energieverbrauch/Leistung bei intelligenten Produkten die Möglichkeiten der MCUs wider, die im Zentrum dieser Geräte stehen. Die Eignung einer bestimmten MCU kann aber selten an einigen wenigen Spezifikationen im Datenblatt gemessen werden. Obwohl sich die Branche seit Jahren auf den Stromverbrauch konzentriert hat, offenbart die Spezifikation einer MCU in Form des Verhältnisses μA/MHz nur einen Teil des Problems. Der tatsächliche Stromverbrauch ist der aussagekräftigste Parameter. So ist die Kombination eines niedrigen Verhältnisses μA/MHz und der Versorgungsspannung der entscheidende Maßstab für praktische Anwendungen.

Am Ende sind trotz einer noch so genauen Untersuchung der Spezifikationen einer MCU die spezifischen Anforderungen der einzelnen Anwendung entscheidend. Beispielsweise reduziert eine Anwendung, bei der nur gelegentliche Aktualisierungen von Sensormessungen erforderlich sind, die Auslastung der MCU, sodass der Verbrauch im aktiven Modus hier möglicherweise gar nicht die wichtigste Spezifikation ist. Aufgrund der reduzierten Auslastung verbringt die MCU mehr Zeit im Schlafmodus mit reduziertem Energieverbrauch und läuft nicht ständig im voll aktiven Modus. Daher werden der Energieverbrauch im Schlafmodus, die Aufwachzeit und die Energieerhaltung des SRAM zu kritischen Parametern. Merkmale der MCU wie große Speicherarrays und mehrere integrierte Peripheriebausteine sind ebenfalls wichtige Faktoren.

Neben der Unterstützung von immer größeren Softwarebibliotheken reduziert ein größerer interner Arbeitsspeicher Stromverbrauch und Leistungsabfälle im Zusammenhang mit Zugriffen außerhalb des Chips auf externe Geräte. Gleichzeitig können die Entwickler von den Energieverwaltungsfunktionen und Datenhaltezeiten der MCU profitieren und den Energie- und Haltestatus optimieren, während der eigentliche Prozessorkern schläft.

Die Energieverwaltungsfunktionen der hochentwickelten MCUs bieten einen signifikanten Vorteil, indem sie den Stromverbrauch von optionalen Peripheriebausteinen reduzieren. Die in diesen MCUs eingebauten ausgeklügelten Energieverwaltungen können Peripheriebausteine selektiv aktivieren und deaktivieren und bei MCUs, die „schlafwandeln“ können, sogar ständige Operationen von Peripheriebausteinen erlauben. So können Operationen, an denen Peripheriebausteine beteiligt sind, sogar dann fortgesetzt werden, wenn sich die MCU in einem energiesparenden Schlafmodus befindet.

In der Vergangenheit waren die Entwickler oft zu einem Kompromiss zwischen mehreren Faktoren gezwungen, die Energieverbrauch oder Funktionalität beeinflussen. Im Gegensatz dazu bietet die MCU-Familie Darwin von Maxim Integrated die Fähigkeiten, die zur Bewältigung der wachsenden Herausforderungen von Wearables und anderen Low-Power-Geräten gestellt werden.

Kompromiss zwischen Energieverbrauch und Leistung

Die speziell für die Anforderungen von IoT-Geräten konzipierte MCU-Familie Darwin umfasst mehrere Bausteine, darunter die MCUs MAX32620, MAX32625 und MAX32630 von Maxim. Die auf einem Arm®-Cortex®-M4 mit Gleitpunkteinheit aufbauenden Darwin-MCUs haben eine gemeinsame Hardwaregrundlage, die verschiedene Peripheriebausteine, Taktgeber, Echtzeituhren (RTC), Watchdog-Timer und vieles andere umfasst.

Die Darwin-MCUs unterscheiden sich u. a. durch die unterschiedlichen Größen des On-Chip-Flash-Speichers und des SRAMs. Der MAX32620 und der MAX32630 sind mit 2 MB Flash bestückt, während der MAX32625 nur über 512 KB Flash verfügt. Den Entwicklern stehen auch unterschiedliche On-Chip-SRAM-Größen zur Verfügung, z. B. 512 KB bei der MAX32630, 256 KB bei der MAX32620 und 160 KB bei der MAX32625.

Allen Bausteinen ist gemeinsam, dass sie im voll aktiven Modus nur minimal Strom ziehen: 102 Mikroampere (µA)/MHz (MAX32620), 106 µA/MHz (MAX32625) und 106 µA/MHz (MAX32630). Wie oben bereits besprochen wurde, ist der Energieverbrauch eine kritische Spezifikation. Daher beträgt die Betriebsspannung dieser Bausteine 1,2 V für den Prozessorkern und 1,8 bis 3,3 V für I/O. Somit ist der Stromverbrauch im voll aktiven Modus sehr niedrig. Eine niedrige Betriebsspannung wird durch mehrere Mechanismen unterstützt, mit denen die Entwickler den Energieverbrauch in ihren Anwendungen optimieren können.

Die Möglichkeit, den Energieverbrauch zu minimieren, ist natürlich für den Dauerbetrieb von batteriebetriebenen Geräten entscheidend. Für die meisten Anwendungen bedeutet dies eine Minimierung der Auslastung ohne Verlängerung der Reaktionszeit. Diese einander widersprechenden Anforderungen lassen sich für den Entwickler mithilfe der Energiesparmodi der Darwin-MCU auflösen.

LP0, der MCU-Zustand mit dem niedrigsten Energieverbrauch, versetzt den Baustein in einen statischen Zustand, in dem alle Schaltungen außer denen für den Leistungssequenzierer, Power-on-Reset, den Versorgungsspannungsmonitor, die RTC (falls aktiviert) und die für die Datenhalteregister zuständigen Schaltkreise deaktiviert werden. LP1 ist ein Standby-Modus mit sehr niedrigem Energieverbrauch, der die CPU in einen Schlafmodus versetzt und dabei die Stromversorgung für SRAM und Register aufrechterhält. In den Modi LP0 und LP1 bleibt der CPU-Kern selbst in einem statischen Zustand, bis er durch einen Interrupt hochgefahren wird.

LP2, der dritte Energiemodus, hält den Kern in einem Schlafzustand, stellt aber einen weiter unten beschriebenen wichtigen Mechanismus für den Betrieb der Peripheriebausteine bereit. LP3 ist schließlich der normale Ausführungszustand, in dem Prozessor und Peripheriebausteine mit der eingestellten Taktfrequenz betrieben werden.

Im Vergleich zu LP3 kann LP2 zu einer signifikanten Energieeinsparung führen (Abbildung 1). Durch Reduzierung der Taktfrequenz von den nominellen 96 MHz auf 4 MHz können sogar noch höhere Einsparungen erzielt werden (siehe Abbildung 1 rechts). Das Beste daran ist, dass diese Reduzierung des Energieverbrauchs wie unten beschrieben keinen Verlust der wichtigen Peripheriefunktionen nach sich zieht.

Diagramme des Energie-Ökosystems der Darwin-MCU von Maxim

Abbildung 1: Das Energie-Ökosystem der Darwin-MCU versetzt die Entwickler in die Lage, den Energieverbrauch durch Übergang vom voll aktiven Modus LP3 in den Modus LP2 signifikant zu senken, wobei eine weitere Reduzierung durch Senken der Taktfrequenz von 96 MHz (links) auf 4 MHz (rechts) erzielt werden kann. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Intern beruhen die verschiedenen Energiemodi der Darwin-MCUs auf einem komplexen Satz von Funktionselementen. Beispielsweise wird die MCU in den Modi LP0 und LP1 effektiv vom Power-Sequencer gesteuert. Gleichzeitig können Zeitgeber auf dem Chip, Peripheriebausteine, GPIO-Pins und sogar die im Baustein integrierten Versorgungsspannungsmonitore einen Neustart des Systems auslösen (oder das Zurücksetzen im Falle eines Spannungsausfalls). Trotz dieser ganzen Komplexität sieht der Entwickler nur ein einfaches Betriebsmodell mit Energiemodi.

In einer typischen Anwendung kann die MCU programmgesteuert in einen Modus mit niedrigem Energieverbrauch versetzt werden, bis ein RTC-Timeout oder ein Interrupt auftritt (Abbildung 2).

Schaltbild der Peripherieverwaltungseinheit (PMU) im Maxim-Modus LP2

Abbildung 2: Die Peripherieverwaltungseinheit (PMU) des Modus LP2 spart Energie, indem sie die MCU schlafen lässt, während Daten zwischen Peripheriebausteinen und Arbeitsspeicher verschoben werden oder andere Funktionen ausgeführt werden. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Obwohl in den Modi LP0 und LP1 der Energieverbrauch am niedrigsten ist, bietet LP2 eine große Flexibilität bei der Unterstützung der Funktionen von Peripheriebausteinen, während sich der Kern der CPU im Schlafmodus befindet. Der Schlüssel zu dieser Fähigkeit liegt in der Peripherieverwaltungseinheit (PMU).

Verwaltung der Peripherie

Die PMU der Darwin-MCU ist ein eigenes intelligentes Steuerungs-Subsystem. Diese mit direktem Speicherzugriff (Direct Memory Access, DMA) arbeitende Einheit arbeitet mit Round-Robin-Scheduling von sechs unabhängigen Kanälen, wodurch mehrere Peripherie-Operationen unabhängig von der CPU möglich sind. Dank ihrer DMA-Fähigkeit kann die PMU Daten zwischen Peripherie und Arbeitsspeicher verschieben und sogar Impulsfolgensignale, analoge Messungen und andere Ereignisse synchronisieren. In dem auch als PMU-Modus bezeichneten Modus LP2 wird der Baustein effektiv von der PMU mithilfe eines Zustandsautomaten gesteuert, während sich der Kern im Schlafmodus befindet.

Durch Setzen bestimmter Register kann die Balance zwischen Funktionalität und Energieverbrauch noch feiner geregelt werden. Tatsächlich kann dieselbe Kontrolle über den Peripheriebetrieb auch im Modus LP3 ausgeübt werden. Während die PMU im Modus LP2 Operationen mit niedrigem Energieverbrauch ermöglicht, wird im Modus LP3 die Prozessorlast dadurch reduziert, dass die Peripherie in die Lage versetzt wird, Operationen durchzuführen, die sonst von der CPU bewältigt werden müssten. In beiden Fällen können einzelne Blöcke des Bausteins programmgesteuert aktiviert oder deaktiviert werden (Abbildung 3).

Bild: Mithilfe der PMU können einzelne Blöcke des Bausteins aktiviert oder deaktiviert werden

Abbildung 3: Mithilfe der PMU können einzelne Blöcke des Bausteins aktiviert oder deaktiviert werden, um während des Betriebs Energie zu sparen. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Die Aktivierung der Blöcke kann mithilfe der drei 32-Bit-Register CLKMAN_CLK_GATE_CTRLn (n=0, 1, 2) erfolgen, die eine Feineinstellung der einzelnen Funktionsblöcke und damit über den gesamten Energieverbrauch ermöglichen. Tatsächlich können die Entwickler diese Steuerung selbst implementieren oder sich bezüglich der automatischen Aktivierung oder Deaktivierung der Peripheriebausteine auf die dynamische Gating-Schaltung für die Taktfrequenz verlassen.

Die Architektur der Darwin-MCU stellt einen eigenen SPI-Master als Schnittstelle zwischen externem Flash-Speicher und der CPU für XIP-Operationen (Execute in Place) bereit. Sobald SPI-XIP-Operationen (SPIX) inaktiv sind, deaktiviert der dynamische Gating-Mechanismus der MCU für die Taktfrequenz die SPIX-Peripherie. Dieses Verhalten kann über die Bits 21:20 des Registers CLKMAN_CLK_GATE_CTRL0 gesteuert werden. Wenn Bit 21 auf „1“ gesetzt wird, bleibt der SPIX-Takt zwangsweise immer aktiv, wenn Bit 20 auf „1“ gesetzt wird, wird das dynamische Gating der Taktfrequenz aktiviert, und wenn beide Bits auf „0“ gesetzt werden, wird der SPIX-Takt gänzlich deaktiviert.

Für ein Modul, z. B. für einen On-Chip-ADC (Analog/Digital-Wandler), kann die Energieversorgung ebenfalls explizit gesteuert werden. Wenn der ADC verwendet werden soll, wird z. B. zuerst das Gating für den Takt durch Setzen von Bit 12 des Registers CLKMAN_CLK_GATE_CTRL2 auf „1“ aktiviert, dann die Schnittstelle durch das Setzen entsprechender Bits aktiviert und dann der ADC durch Setzen von Bit 1 des Registers ADC_CTRL hochgefahren. Diese Möglichkeit, den ADC unabhängig zu betreiben, ist im Modus LP2 (PMU-Modus) besonders wirkungsvoll. Da der Prozessorkern sich im Zustand LP2 im Schlafmodus befindet, ist der Pegel des Grundrauschens hier am niedrigsten, sodass eine Erfassung von empfindlichen analogen Signalen erfolgen kann.

Durch ein weiteres Merkmal des ADC sind die Entwickler in der Lage, die Belastung der CPU auf ein Minimum zu reduzieren. Der obere und der untere Grenzwert für ADC-Samples kann programmgesteuert festgelegt werden. Es werden Interrupts generiert, die die CPU aufwecken, wenn ein Sample außerhalb des gewünschten Fensters liegt. Die CPU wird also nicht periodisch aufgeweckt, um die Sensoren nach signifikanten Änderungen in den gemessenen Samples abzufragen, sondern die CPU wird mithilfe dieser Möglichkeit so lange im stromsparenden Schlafmodus gehalten, bis signifikante Änderungen in den Sensordaten auftreten.

Der ADC unterstützt zur Datenerfassung vier externe Analogeingänge, die auf den internen 10-Bit-Sigma-Delta-Wandler gemultiplext werden. Auf zwei Eingangskanälen kann das Eingangssignal durch einen Spannungsteiler um den Faktor fünf herunterskaliert werden.

Jedoch muss häufig zur Verstärkung oder nur zur Pufferung von analogen Signalen eine externe Signalkonditionierung eingesetzt werden. In diesem Fall können die Entwickler den Betrieb mit niedrigem Energieverbrauch aufrechterhalten, indem sie auf die nanoPower-Produktfamilie von Analogbausteinen mit niedrigem Energieverbrauch von Maxim Integrated zurückgreifen. Der nanoPower-Operationsverstärker MAX40007 von Maxim verbraucht beispielsweise nur 700 Nanoampere (nA) (TYP) bei einer Verstärkung der Signalspannung von 110 dB (3 Volt VDD). Der Operationsverstärker kann kapazitive Lasten von bis zu 20 Picofarad (pF) bewältigen. Die Kapazität bezüglich Masse des Darwin-ADC beträgt beispielsweise nur 1 pF, und die dynamisch geschaltete Kapazität beträgt 250 Nanofarad (nF).

NanoPower-Bausteine wie der MAX40007 eignen sich besonders für Designs auf Grundlage von Darwin-MCUs. Sie können über dieselbe 1,8V-Schiene oder über die 3,3V-Schiene wie die MCU versorgt werden. In der Vergangenheit hat die Unterstützung dieser mehrfachen Versorgungsschienen die Entwickler daran gehindert, die Forderungen nach niedrigem Energieverbrauch und minimalen Abmessungen zu erfüllen. Da nun PMICs mit mehreren Ausgängen zur Verfügung stehen, können die Entwickler problemlos Geräte mit mehreren Schienen unterstützen, ohne die allgemeinen Anforderungen zu gefährden.

Energiemanagement

Bei batteriegespeisten Geräten können konventionelle Techniken für die Bereitstellung der Versorgungsspannung ungeeignet sein. Die häufig zur Bereitstellung von Schienen mit mehreren Spannungen eingesetzten Linearregler verschwenden einen beträchtlichen Teil der Energie bei der Wandlung der nominellen 3,6 Volt am Ausgang eines Lithium-Ionen-Akkus mit einer einzigen Zelle in die von den heutigen Niedrigspannungs-MCUs benötigten geringeren Spannungen. Die Notwendigkeit, mehrere gleichzeitige Versorgungsspannungspegel bereitzustellen, verschlimmert die Auswirkungen auf Energieverbrauch, Materialverbrauch und Komplexität. Dagegen bietet die MAX77650 von Maxim Integrated eine vollständige Energieverwaltungslösung für batteriegespeiste Geräte mit mehreren Schienen.

Die Energieverwaltungs-Architektur des MAX77650 verbindet eine einzelne Induktivität mit einen Abwärts-Aufwärts-Regler mit mehreren Ausgängen (SIMO) und einem LDO-Regler (Abbildung 4). Maxim Integrated bietet Erweiterungsmöglichkeiten für diese Architektur durch mehrere GPIOs sowie einen Stromsenkentreiber zur Unterstützung von Infrarot-LEDs für bestimmte tragbare Geräte, der von 250 bis 425 Milliampere (mA) programmiert werden kann.

Schaltbild des im MAX77650 von Maxim verwendeten SIMO-Abwärts-Aufwärts-Reglers

Abbildung 4: Der im MAX77650 verwendete Abwärts-Aufwärts-Regler mit einer einzelnen Induktivität und mehreren Ausgängen (SIMO) benötigt nur eine einzelne Induktivität. Der Ausgang wird zu den einzelnen Ausgangs-Pins geleitet (oben) und die Ladung der Induktion wird für den nächsten Ausgang in der Reihenfolge hochgefahren (unten). (Bildquelle: Maxim Integrated)

Im Zentrum der Architektur dieses PMIC steht der vom SIMO-Regler implementierte Gating-Mechanismus, der nur eine externe Induktivität zur Bedienung der von den Darwin-MCUs und anderen Bausteinen verlangten mehreren Stromversorgungsschienen benötigt. In einem SIMO-Regler entlädt die Steuerung die einzelne Induktivität über die einzelnen Gate-gesteuerten Ausgänge (Abbildung 4 oben). Im Betrieb baut der SIMO-Regler Ladung in der Induktivität nacheinander für jeden Ausgang auf (Abbildung 4 unten) und ermöglicht dadurch die programmierbare Steuerung jedes Ausgangs.

Schätzung des Akkuladezustands

Die letzte Stufe im Konstruktions-Puzzle beim Einbau unsichtbarer Intelligenz in batteriegespeiste Geräte betrifft den Akku selbst. Bei diesen Konstruktionen ist eine genaue Schätzung der verbleibenden Akkuladung wesentlich, um einen unerwarteten Stromausfall zu vermeiden, der unmittelbar zu einer Unzufriedenheit des Benutzers mit dem ganzen Produkt trotz anderer Vorzüge führen kann.

Obwohl PMICs wie der MAX77650 den Ladevorgang kontrollieren, benötigen intelligente Produkte zuverlässige Schätzungen, damit die Benutzer darüber informiert werden können, dass Batterien ersetzt oder Akkus aufgeladen werden müssen. Die bisher eingesetzten herkömmlichen Messverfahren haben ihre Aufgabe lange erfüllt, aber aufgrund ihrer geringen Genauigkeit und ihres hohen Stromverbrauchs wurden die Erwartungen oft nicht erfüllt.

Modernere ICs zur Messung des Ladezustand wie MAX17048 und MAX17055 von Maxim Integrated bieten den Entwicklern eine hohe Flexibilität bei der Erfüllung ihrer Vorgaben bezüglich Energieversorgung und Komplexität, ohne die genaue Voraussage des Ladezustands der Batterien (SOC) zu gefährden.

In der Vergangenheit beruhten die vorherrschenden SOC-Messmethoden auf einer Messung der Leerlaufspannung (Open-Circuit Voltage, OCV) oder einer Coulomb-Zählung. Jede dieser Methoden hat für sich gesehen gewichtige Vor- und Nachteile. OCV-Messungen werden signifikant durch den fließenden Strom beeinflusst, und die Coulomb-Zählung ist für kurze Zeit genau, aber die Genauigkeit lässt mit der Zeit nach. Jeder dieser Ansätze erfordert unterschiedliche Kompromisse bei der Konstruktion. Für OCV-Messungen ist eine gewisse Charakterisierung der Batterie erforderlich, damit Kompensationstabellen aufgestellt werden können, und die Coulomb-Zählung erfordert einen zusätzlichen Widerstand, um den Zu- und Abfluss des Stroms von der Batterie zu messen.

Die ICs zur Messung des Ladezustands von Maxim bieten Verbesserungen für beide Verfahren. Im MAX17048 ist der ModelGauge-Algorithmus von Maxim implementiert, der die OCV-Techniken durch Schätzmethoden erweitert. Wie andere auf OCV beruhende Bausteine macht der MAX17048 einen zusätzlichen Widerstand zur Strommessung überflüssig. Obwohl im Baustein Batteriemodelle gespeichert sind, müssen die Entwickler möglicherweise zur Optimierung der Genauigkeit eine Charakterisierung des Akkus durchführen. Trotzdem eignet sich der Baustein besonders für Konstruktionen mit sehr schmalen Energiebudgets. Im normalen Betrieb verbraucht der Baustein nur 3 μA in einem „Hibernate“-Ruhemodus mit geringem Energieverbrauch. In diesem Modus liefert der Baustein weiterhin genaue SOC-Schätzungen, aber das Aktualisierungsintervall wird gegenüber dem aktiven Modus von 250 Millisekunden (ms) auf 45 Sekunden (s) verlängert.

Wie bei anderen auf OCV-Messung beruhenden Methoden wird die SOC-Schätzung durch Lastspitzen und andere Faktoren beeinflusst. Mit dem MAX17055 bietet Maxim Integrated seinen Algorithmus ModelGauge m5 an, der die Langzeit-Drift der Coulomb-Zählung mithilfe von OCV-Methoden korrigiert (Abbildung 5).

Abbildung: Hochentwickelter IC MAX17055 von Maxim zur Messung des Ladezustands

Abbildung 5: Der hochentwickelte IC MAX17055 von Maxim zur Messung des Ladezustands verbindet die Messung der Leerlaufspannung (OCV) mit der Coulomb-Zählung und liefert so sehr genaue Ergebnisse über den gesamten Lebenszyklus der Batterie. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Der MAX17055 stellt mithilfe dieser Methode mit einem externen Rsense-Widerstand und einigen Kondensatoren ein sehr genaues Messgerät für den Ladezustand dar (Abbildung 6). Wie der MAX17048 verfügt auch dieser Baustein über einen Ruhemodus, in dem der Stromverbrauch ohne Funktionseinschränkungen auf 7 μA reduziert ist. In diesem Falle beträgt das Aktualisierungsintervall im Ruhemodus 5,625 s gegenüber 175,8 ms im voll aktiven Modus

Schaltbild des MAX17055 von Maxim

Abbildung 6: Mit dem MAX17055 von Maxim, einem externen Messwiderstand und einigen Kondensatoren kann eine sehr genaue Messfunktion für den Ladezustand implementiert werden. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Bei einer Variante mit ModelGauge m5-Algorithmus zur Messung des Ladezustands wird der Rsense-Widerstand platzsparend integriert – 2,132 mm2 im Vergleich zu 2,115 mm2 beim MAX17055 in einem ähnlichen 9-Pin-Wafer-Gehäuse (Wafer Level Package, WLP). Die Variante mit integriertem Rsense verringert den Stromverbrauch im Ruhemodus auf nur 5,2 μA mit einem unveränderten Aktualisierungsintervall von 5,6 s.

Obwohl hier eine externe Rsense-Komponente erforderlich ist, ist die Kombination des ICs MAX17055 zur Messung des Ladezustands mit dem PMIC MAX77650 mit einer einzigen Induktivität platzsparend (Abbildung 7). Maxim Integrated hat diese Kombination als Energieversorgungs-Subsystem in seine MAX32620-basierte Entwicklungsplatine MAX32620FTHR eingebaut.

Schaltbild PMIC MAX77650 und IC zur Messung des Ladezustands MAX17055 von Maxim

Abbildung 7: Zusammen bilden der PMIC MAX77650 und der IC zur Messung des Ladezustands MAX17055 von Maxim ein ausgeklügeltes Energieverwaltungs-Subsystem in einem einfachen Design, für das nur die einzelne Induktivität des PMIC (L1), ein Rsense-Widerstand zur Messung des Ladezustands (R14), ein NTC-Thermistor Murata Electronics NCP15XH103F03RC, Widerstände und Kondensatoren benötigt werden. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Neben der MCU, dem PMIC und den Bausteinen zur Messung des Ladezustands werden für die Platine nur die einzelne Induktivität des PMIC (L1), ein Rsense-Widerstand zur Messung des Ladezustands (R14), ein NTC-Thermistor NCP15XH103F03RC von Murata Electronics, Widerstände und Kondensatoren benötigt. Auf einer Grundfläche von nur 22,9 mm x 50,8 mm befinden sich zwei 12-Pin-Steckverbinder, zwei RGB-LEDs und zwei Drucktasten. Die Platine kann über den Mikro-USB-Steckverbinder oder eine Batterie am 2 mm-Steckverbinder mit Strom versorgt werden.

Fazit

Batteriebetriebene Geräte, die die Erwartungen von Benutzern an intelligente Produkte erfüllen sollen, müssen in puncto Erscheinungsform und Benutzbarkeit den herkömmlichen Produkten nahekommen. Für Entwickler, die diese Anforderungen erfüllen möchten, bedeutet dies, dass sie Energieverbrauch und Abmessungen minimieren müssen, ohne die für intelligente Produkte erforderliche Leistung zu opfern.

Mit den Darwin-MCUs, den SIMO-PMICs und den hochentwickelten ICs zur Messung des Ladezustands von Maxim Integrated sind die Entwickler in der Lage, diese häufig einander widersprechenden Forderungen zu erfüllen und Geräte zu konstruieren, die ausgeklügelte Fähigkeiten mit Erscheinungsformen und Funktionen bereitstellen, die dem Benutzer vertraut sind.

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