Tipps zur Minimierung des Stromverbrauchs in Ihrem Embedded-System

Jahrelang vergaß ich immer, das Licht und die Ventilatoren in meinem Haus auszuschalten. Obwohl ich anfangs leugnete, dass die ständige Verwendung dieser Geräte meinen Stromverbrauch deutlich erhöhte, beendete ich schließlich meine schlechte Angewohnheit und begann, jedes noch so kleine Gerät auszuschalten. Denn letztendlich sinken meine monatlichen Rechnungen und es ist besser für die Umwelt, wenn ich umsichtiger mit meinem Stromverbrauch umgehe.

Leider erfordert die Minimierung des Systemstromverbrauchs in einem Embedded-System viel mehr Arbeit, als das Ausschalten einiger Schalter. Die richtige Designstrategie muss schon lange vor dem Skizzieren des Stromkreises umgesetzt werden. Und egal, ob Ihr Gerät solarbetrieben oder batteriebetrieben ist, jedes Detail ist entscheidend, wenn es darum geht, den Systemstromverbrauch Ihres Embedded-Systems zu minimieren.

Planen Sie das Energiebudget des Geräts

Als Hardware Designer ist es selbstverständlich, sich für ein neues Projekt zu begeistern. Aber anstatt sich zu beeilen, den leistungsfähigsten Mikrocontroller auf den Markt zu bringen, sollten Sie die Art der Anwendung verstehen und jegliche Einschränkungen des Stromverbrauchs aufdecken. Selbst wenn Sie kein solarbetriebenes Batteriegerät entwerfen, kann ein energiesparendes Design wichtig sein, wenn Sie mit der Konkurrenz mithalten wollen.

Um das Energiebudget Ihres Geräts zu optimieren, setzen Sie zunächst eine angemessene Grenze für den Stromverbrauch Ihres Designs und arbeiten Sie von dort aus rückwärts. Wählen Sie Mikrocontroller und andere Komponenten, die Energiesparfunktionen besitzen oder einfach weniger Strom verbrauchen. Wenn Sie die falschen Komponenten wählen, könnte es die Umsetzung von Energiesparmaßnahmen in der Entwurfsphase erschweren.

Minimieren Sie den Stromverbrauch in Ihrem Design

Es braucht sowohl Hardware- als auch Firmware-Ingenieure, um effiziente Energiesparfunktionen in einem Embedded-System-Design zu implementieren. Hier sind einige Tipps, um den Gesamtstromverbrauch Ihres Designs gemeinsam zu minimieren:

1. Verwenden Sie den Tiefschlafmodus

In einigen solarbasierten Anwendungen für den Außenbereich kann es unvermeidlich sein, einen leistungsstarken Mikrocontroller zur Erfüllung bestimmter Spezifikationen zu verwenden. So muss beispielsweise ein im Freien stehender Fahrkartenautomat für Fahrzeuge innerhalb kurzer Zeit ein gedrucktes Ticket ausstellen oder eine Zahlungskarte scannen können, bevor die Datensätze in seinem permanenten Speicher abgelegt werden.

Basierend auf diesen Funktionen ist ein High-End 32-Bit-Mikrocontroller die beste Option. Ein so leistungsstarker Mikrocontroller verbraucht aber auch mehr Strom, wenn alle Peripheriegeräte eingeschaltet sind. Wenn der Mikrocontroller ständig mit voller Leistung läuft, erfordert es zwangsläufig eine Batterie mit höherer Kapazität.

Eine Methode, um zu verhindern, dass der Mikrocontroller die maximale Leistung verbraucht, ist es, ihn in den Tiefschlafmodus zu versetzen, sobald er nicht genutzt wird. Im Tiefschlafmodus verbrauchen Mikrocontroller oft einen winzigen Bruchteil des maximalen Stroms (oft in Nano-Amps). Firmware-Ingenieure können dann Interrupts verwenden, um den Mikrocontroller bei Bedarf zu aktivieren.

^{Benutzen Sie den Tiefschlafmodus für Ihren Mikrocontroller}

2. Verwenden Sie Schaltregler

Manchmal kommt es zu unnötigem Stromverbrauch in Form von Wärme. Dies ist der Fall, wenn Sie einen Linearregler in Ihrem Design verwenden. Für ein solarbetriebenes Gerät erfordern typische Stromversorgungsschaltungen, dass die Batteriespannung heruntergeregelt wird – ein linearer Spannungsregler bietet die günstigste Lösung hierfür.

Lineare Regler sind jedoch nicht so effizient, da sie die Differenz zwischen den Spannungen als Wärme ableiten. Wenn Sie das Gerät mit einer Batterie betreiben, führt die Wärmeabfuhr dazu, dass zusätzlicher Strom aus der Batterie entnommen wird. In diesem Fall können Sie stattdessen einen Schaltregler verwenden.

Auch wenn Schaltregler und die zugehörigen Komponenten die Gesamtstückkosten erhöhen, ist dies effektiver als die Verwendung linearer Regler. Weniger Wärmeabfuhr bedeutet eine längere Lebensdauer des Akkus, was nützlich ist für Fälle, in denen das Gerät ohne Sonnenlicht betrieben werden soll. In stromsparenden Anwendungen kann jedes eingesparte Milliwatt einen großen Unterschied machen.

3. Ausschalten nicht verwendeter Komponenten

Das Versetzen des Mikrocontrollers in den Tiefschlafmodus ist eine hervorragende Technik zur Reduzierung des Gesamtstromverbrauchs. Aber auch andere Komponenten wie integrierte logische Schaltungen (IC) oder Kommunikations-ICs können immer noch erheblichen Strom verbrauchen, selbst wenn sich Ihr Mikrocontroller im Tiefschlafmodus befindet.

Dieses Problem kann glücklicherweise minimiert werden. Anstatt einen einzigen Spannungsregler auf der Leiterplatte zu integrieren, können Sie zwei Regler verwenden, um den Mikrocontroller und die anderen Komponenten separat zu betreiben. Dieses Verfahren ermöglicht es dem Mikrocontroller, die Stromversorgung anderer Komponenten abzuschalten, bevor er in den Tiefschlafmodus wechselt.

^{Trennen Sie unbenutzte Komponenten von der Stromversorgung.}

Darüber hinaus wird sichergestellt, dass der Stromverbrauch im Ruhezustand nur vom Mikrocontroller und dem Eingang kommt, der notwendig ist, um den Mikrocontroller aus dem Tiefschlafmodus zu unterbrechen. Durch die Verwendung des PDN Analyzer^™ von Altium Designer^® können Sie sicherstellen, dass die Stromschienen ausreichend sind und nicht zu zusätzlichen Stromverlusten führen. Starke PCB-Design-Software kann jeden Schritt Ihres Designs unterstützen.

Benötigen Sie weitere Tricks, um den Stromverbrauch Ihres Geräts zu senken? Wenden Sie sich an einen Experten von Altium.