Als Wearable-Produkte ausgeführte Fitness-Tracker kommen immer mehr in Mode, und ihr Funktionsumfang nimmt zu. Über die schlichte Schrittzähler-Funktion hinaus schaffen sie Anreize, die körperliche Aktivität zu steigern. Damit das klappt, müssen die Besitzer diese Geräte auch tatsächlich nutzen: sie erwarten, dass Tracker unauffällig zu tragen sind und wenig Wartung erfordern. Im Prinzip müssen sie so klein und leicht sein, dass man sie beim Tragen einfach vergisst, und lange mit einer Akkuladung auskommen. Da der Energiegehalt eines Akkus von seiner Größe abhängt, ist es schwierig, die Ladeintervalle zu verlängern, ohne die Geräte größer und schwerer auszulegen. Der Akku gehört in der Regel zu den größten Bauteilen eines Wearable-Geräts, daher gilt es das richtige Gleichgewicht zwischen dem verfügbaren Energiebudget und den Abmessungen des Produkts zu finden.

Designherausforderung

Um Abmessungen und Gewicht von Wearable-Geräten zu verringern, muss der Entwickler die aus dem Akku entnommene Energiemenge reduzieren um einen kleineren Akku einsetzen zu können. In vieler Hinsicht mögen Wearable-Produkte anderen batteriebetriebenen Geräten ähneln, jedoch spielt sich bei ihnen alles in einem viel kleineren Maßstab ab: Sie brauchen deutlich mehr Optimierung.

Bild 1: Diese einfache Grafik zeigt die erwartete Betriebszeit eines Wearable-Produkts in drei verschiedenen Betriebsarten.

Bild 1: Diese einfache Grafik zeigt die erwartete Betriebszeit eines Wearable-Produkts in drei verschiedenen Betriebsarten.Maxim

Ein Wearable-Gerät muss die mit höherer Stromaufnahme einhergehenden Aufgaben rasch erledigen und möglichst viel Zeit in einem stromsparenden Standby-Zustand verbringen (Bild 1). Allerdings ist hier deutlich weniger Strom verfügbar als in einer üblichen Mobil-Applikation. Damit ein 50-mAh-Akku eine Woche durchhält, muss die durchschnittliche Stromaufnahme kleiner als 300 µA sein. Ordnet man 25 % des Budgets dem Standby-Zustand zu, sind dies weniger als 75 µA. Ein Abwärtsregler mit einer Ruhestromaufnahme (IQ) von 30 µA würde dieses Budget beinahe zur Hälfte aufbrauchen, sodass ein Linearregler mit niedrigem IQ als die bessere Option erscheint. Während die Standby-Stromaufnahme also im zweistelligen Mikroampere-Bereich liegt, gibt es im System häufig Peripheriefunktionen wie das Display oder die Funkschaltungen, deren Stromaufnahme sich im zweistelligen Milliampere-Bereich bewegen kann. Ohne die hohe Effizienz eines Abwärtsreglers gestaltet es sich schwierig, das Energiebudget für die Kommunikationsfunktionen einzuhalten. Um die Leistungsaufnahme über den großen Laststrombereich zu optimieren ist eine sorgfältige Abwägung und exakte Beachtung der detaillierten Verlustleistungs-Spezifikationen erforderlich.

Bild 2: Strom und Leistung als Funktion der Spannung bei einem 500-Ω-Widerstand.

Bild 2: Strom und Leistung als Funktion der Spannung bei einem 500-Ω-Widerstand.Maxim

Versorgungsspannung senken

Energie benötigen die Bauelemente eines Wearable-Geräts im aktiven Betrieb sowie im Standby-Status. Um den Akku zu entlasten, muss man die Leistungsaufnahme minimieren. Die Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom, während der Strom typischerweise proportional zur Spannung ist. Die Leistung wächst deshalb häufig mit dem Quadrat der Stromstärke an. Der dramatische Unterschied zwischen Strom und Leistung wird deutlich, wenn man wie in Bild 2 den Strom und die Verlustleistung eines Widerstands als Funktion der Spannung aufträgt.

Bild 3: Gegenüberstellung von Strom und Leistungsaufnahme eines Oszillators und eines Widerstands bei verschiedenen Versorgungsspannungen.

Bild 3: Gegenüberstellung von Strom und Leistungsaufnahme eines Oszillators und eines Widerstands bei verschiedenen Versorgungsspannungen.Maxim

Während aktive Bauelemente keine rein ohmschen Lasten sind, hängt der Strom zum Laden und Entladen von Kondensatoren ebenfalls von der angelegten Spannung ab. Die Leistungsaufnahme vieler aktiver Bauelemente verändert sich daher mit dem Quadrat der angelegten Spannung. Zeigen lässt sich dies an einem Vergleich des Stroms und der Leistungsaufnahme eines einfachen aktiven Bauelements wie des Oszillators KC5032 und eines Widerstands (Bild 3). Diese Abhängigkeit vom Quadrat der Spannung erklärt, weshalb sich die Rechenleistung pro Watt so rapide verbessert wenn die Versorgungsspannung sinkt. Ebenso wird deutlich, wie ein Linearregler die Leistungsaufnahme verringern kann, selbst wenn dieser Regler ineffizient arbeitet und der Eingangsstrom im Wesentlichen identisch mit dem Ausgangsstrom ist.

Auf einen Blick

Fitness-Tracker und andere Wearable-Produkte müssen möglichst klein sein und lange mit einer Akku-Ladung durchhalten, damit der Kunde sie akzeptiert. Für den Entwickler heißt das: der Akku muss klein sein und der Energiebedarf extrem niedrig. Maxim erklärt hier, was das für die Auswahl an Spannungswandlern bedeutet und dass bei der Optimierung sowohl die aktiven Zustände als auch die Standby-Phasen entscheidend sind.

Viele Bauelemente regeln ihre Spannung intern, um die Leistungsaufnahme zu senken, jedoch auch aus anderen Gründen. Diese interne Regelung erfolgt üblicherweise linear, um Stromschwankungen zu minimieren. Dennoch steht die Gesamt-Leistungsaufnahme nach wie vor in linearem Verhältnis zur Eingangsspannung. Um die Leistungsaufnahme der meisten Funktionen eines Systems zu minimieren, ist es üblicherweise hilfreich, Bauelemente mit den niedrigsten Betriebsspannungen zu wählen und diese am unteren Rand ihres Betriebsspannungsbereichs zu betreiben.

Den passenden Regler wählen

Ebenso wichtig wie die Wahl der Betriebsspannung ist es, den richtigen Regler zum Erzeugen dieser Spannung zu finden. Wie erwähnt, kann ein Linearregler die Leistungsaufnahme eines Geräts verringern. Allerdings kann die Linearregelung nicht in vollem Umfang von den Vorteilen der Spannungsabsenkung profitieren. Die Leistungsaufnahme sinkt, weil der durch den Regler fließende Strom geringer wird. Dennoch ist die Leistung aber gleich dem Produkt aus Strom und Spannung. Die wirklich benötigte Leistung berechnet sich aus der Ausgangsspannung multipliziert mit dem Ausgangsstrom. Die übrige Leistung (der Strom multipliziert mit der Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung) verbraucht der Linearregler selbst.

Um vollständig von der niedrigeren Spannung zu profitieren, ist ein Schaltregler nötigt. Gängige Modelle können aber das gesamte Energiebudget im Standby-Status verbrauchen. Da sich Wearable-Produkte die meiste Zeit im Standby-Status befinden, war es in der Vergangenheit nötig, Abstriche am Wirkungsgrad im aktiven Zustand hinzunehmen und einen Linearregler mit geringem IQ zu verwenden. Inzwischen gibt es aber Abwärtsregler mit einer Ruhestromaufnahme unter 1 µA, bei denen es nicht mehr nötig ist, zwischen der Effizienz im aktiven Zustand und jener im Standby-Status abzuwägen.

Bild 4: Vergleich der Wirkungsgrade verschiedener Regler bei unterschiedlichen Ausgangsspannungen.

Bild 4: Vergleich der Wirkungsgrade verschiedener Regler bei unterschiedlichen Ausgangsspannungen.Maxim

Den IQ senken

Der Umstieg auf einen Schaltregler mit niedrigem IQ kann die Stromentnahme aus dem Akku drastisch senken. Wenn der Regler mit 1,8 V auskommt und als Energiequelle ein Lithium-Polymer-Akku mit einer durchschnittlichen Spannung von 3,7 V verwendet wird, lässt sich der Akkustrom nahezu halbieren. Dennoch ist ein Abwärtsregler nicht immer die optimale Lösung, speziell wenn die Ausgangsspannung mehr als 80 % der Eingangsspannung beträgt. Abwärtsregler erreichen oft einen Wirkungsgrad von 90 %. Beim Herabregeln von 3,7 V auf 3,2 V kommt allerdings auch ein Linearregler auf 85 % Wirkungsgrad, und zwar ohne eine zusätzliche Drossel zu benötigen. Trägt man den Wirkungsgrad als Funktion des Ausgangsstroms auf (Bild 4), dann sind die Vorteile des 1-µA-Abwärtsreglers beim Herabregeln auf 1,8 V für Verbraucher unter 1 mA klar erkennbar.

Bei einer Ausgangsspannung von 3,2 V sehen die Verhältnisse jedoch anders aus. Da sich die Geräte so lange Zeit im Standby-Modus befinden, ist der 1-µA-Abwärtsregler für 1,8 V Ausgangsspannung die beste Wahl, während bei 3,2 V Ausgangsspannung der Linearregler im Vorteil ist, weil er weniger Leiterplattenfläche beansprucht. Da nicht alle Schaltregler gleich sind, muss man das Verhalten der einzelnen Wandler unter den spezifischen Einsatzbedingungen sorgfältig untersuchen.

Viele Mikrocontroller verfügen über integrierte Regler. Wenn es um minimale Verlustleistung geht, sind sie aber oft nicht die beste Wahl. Ebenso wie bei externen Reglern ist es auch bei internen Reglern wichtig, auf die Details zu achten. Wenn die Core-Versorgungsspannungen unter 1,8 V sinken, kann der Umstieg von einem Linear- auf einen Schaltregler die Leistungsaufnahme des Cores mehr als halbieren. Genau aus diesem Grund lässt sich bei vielen Mikrocontrollern der interne Regler deaktivieren.

Präzise Informationen über den Ladezustand

Kaum etwas ist so lästig wie ein plötzlicher Ausfall eines Geräts. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Produkt seinen Betrieb einstellt, obwohl die Akku-Anzeige (SOC – State of Charge) noch ausreichend Restenergie verspricht. Eine exakte Anzeige des Ladezustands ist deshalb immens wichtig. Die Schaltung muss jegliche Unsicherheit bezüglich des Akku-Ladezustands von der Energiemenge abziehen, die sie dem Benutzer anzeigt. Um ein bestimmtes Ladeintervall zu garantieren, muss der Entwickler die Messungenauigkeit einkalkulieren und den Akku überdimensionieren.

Die Genauigkeit, mit der das Gerät den Akkuzustand misst, wirkt sich daher unmittelbar auf die Größe und den Preis einer Wearable-Lösung aus sowie auf die Nutzererfahrung. Wegen der äußerst geringen Ströme in Wearable-Geräten ist die Coulombzähler-Methode nicht praktikabel. Die abgetasteten Spannungen sind so klein, dass sich Micropower-Verstärker nicht eignen. Außerdem verbrauchen die häufigen Messungen zu viel Energie. Die einzig sinnvolle Lösung ist deshalb die Spannungsüberwachung.

Bild 5: Die momentane Akkuspannung lässt keine Rückschlüsse auf den Ladezustand zu.

Bild 5: Die momentane Akkuspannung lässt keine Rückschlüsse auf den Ladezustand zu.Maxim

Wiederaufladbare Lithiumbatterien lassen sich allerdings nur schwer allein per Spannung überwachen. Das Erfassen der Akkuspannung mit einem ADC liefert keine wirkliche Information über den Ladezustand (Bild 5). Es gibt jedoch Füllstandsanzeigen, die genau auf die Anforderungen der hier besprochenen Anwendungen zugeschnitten sind. Der Model-Gauge-Algorithmus erzielt die höchste Genauigkeit beim Melden der Akkukapazität.

Einer für alles

Winzige Wearable-Geräte erfordern andere Optimierungen als typische mobile Anwendungen. Bauteile und Spezifikationen, die bisher als unwichtig galten, werden plötzlich entscheidend für das Einhalten der Performance-Vorgaben. Die Entwickler müssen die einzelnen Funktionen nicht nur für die neuen Verlustleistungs-Restriktionen optimieren, sondern sie auch mit möglichst wenig Platzbedarf implementieren. Da in den besagten Produkten wenig Raum für zusätzliche Logikschaltungen oder gar passive Bauelemente bleibt, kommt es auf die Integration an.

Bild 6: Eine Lademanagement-Lösung für Wearable-Produkte wie dieser MAX14676 enthält einen Abwärtsregler, die Model-Gauge-Technik zur präzisen Ladezustands-Bestimmung und sämtliche weiteren Features, die man in einem Wearable-Fitnessprodukt erwartet.

Bild 6: Eine Lademanagement-Lösung für Wearable-Produkte wie dieser MAX14676 enthält einen Abwärtsregler, die Model-Gauge-Technik zur präzisen Ladezustands-Bestimmung und sämtliche weiteren Features, die man in einem Wearable-Fitnessprodukt erwartet.Maxim

Inzwischen gibt es integrierte Bauelemente, die speziell für Wearable-Applikationen optimiert sind. Die von Maxim angebotenen Single-Chip-Lademanagement-Schaltungen für Wearable-Produkte verbinden die Regelung mit dem Akkumanagement und Überwachungsfunktionen in winzigen WLP-Gehäusen (Bild 6). Um mit optimaler Regelung niedrigere Spannungen bereitzustellen, enthält der abgebildete Baustein MAX14676 sowohl einen 1,8-V-Abwärtsregler mit einem IQ-Wert unter 1 µA als auch einen 3,2-V-LDO, ebenfalls mit weniger als 1 µA Ruhestromaufnahme. Für die präzise Akkuüberwachung nutzt er die Model-Gauge-Technik. Zusätzlich sind weitere Features integriert, die Wearable-Applikationen häufig benötigen, nämlich eine Display/Backlight-Stromversorgung, Überwachungsfunktionen wie Power On/Off und das Sequencing.

Produkte wie diese Lademanagement-Lösungen für Wearable-Geräte helfen den Herstellern, die Akkukapazität besser auszuschöpfen und ihre Fitness-Tracker leichter zu machen. Das ermöglicht die Produktion von Wearable-Geräten mit optimaler Stromversorgung, die kleiner und leichter sind, sich unauffälliger tragen lassen und deshalb von den Menschen tatsächlich genutzt werden.