Eckdaten

Jede realistische Lösung für die Schätzung des Batterieverbrauchs sollte exakt, kostengünstig und fehlerfrei sein und nicht allzu viele Systemressourcen verbrauchen. In seinem Artikel geht der Autor auf die Besonderheiten von Leistungsüberwachungs-, Energiezähler-, Ladezustandsmesser-ICs ein.

Vor 400 Jahren prägte Sir Francis Bacon den Satz „Knowledge is Power“. Dieses Prinzip lässt sich heute angesichts der stark zunehmenden Verbreitung batteriebetriebener Geräte auch in die Welt der Elektronik übertragen: Der globale Markt für Lithium-Ionen-Akkus wird bis zum Jahr 2024 voraussichtlich ein Volumen von bis zu 53 Milliarden US-Dollar erreichen (Quelle: Global Market Insights). Da die Nutzer von ihren Geräten immer mehr Funktionalität und längere Laufzeiten verlangen, ist es für sie wichtig zu wissen, welche Funktionalität einer neuen Produktversion wertvolle Akkuladung verbraucht. Hardware-Entwickler können mit diesen Informationen den Energiebedarf in verschiedenen Betriebszuständen nachvollziehen. Softwareentwickler erhalten Entscheidungshilfen, um die Energieeffizienz zu verbessern. Betriebssysteme können den Energiebedarf einzelner Prozesse überwachen und Nutzer können ihren Batterieverbrauch beobachten und daraufhin Maßnahmen einleiten, die die Laufzeit verlängern. Mit den Erkenntnissen aus der genauen Messung des Energiebedarfs eines Produkts erhalten Entwickler Entscheidungsgrundlagen, um die Akkulaufzeit zu erhöhen und – in Anlehnung an den Spruch von Sir Francis Bacon – Wissen in Energie umzuwandeln.

Methoden zur Schätzung des Energiebedarfs

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Bild 1: Applikationsschaltbild für den Leistungsüberwachungs-IC MAX44298. Maxim

Es gibt mehrere Methoden für die Schätzung der Akkulaufzeit, darunter sowohl Hardware- als auch Softwarelösungen. Jede realistische Lösung für die Schätzung des Batterieverbrauchs sollte exakt, kostengünstig und fehlerfrei sein und nicht allzu viele Systemressourcen verbrauchen.

Eine Methode besteht darin, jede Hardwarekomponente zu analysieren, also für jede Betriebsart den Strom zu berechnen, die Anwendungszeit zu schätzen und die Werte zusammenzuführen, um ein Verbrauchsprofil zu prognostizieren. Jedoch beruht diese First-Pass-Analyse auf Spezifikationen aus den Datenblättern der Komponenten, die je nach Anwendungsfall stark variieren. Die initiale Genauigkeit ist wegen Abweichungen bei einzelnen Komponenten und Bewertungsfehlern nicht gewährleistet, und es sind beträchtliche Hardwaretests erforderlich, um die anfänglichen Ungenauigkeiten in den Griff zu bekommen und ein genaues Profil zu erhalten. Zwar dient diese Methode als eine Überschlagsrechnung, jedoch ist sie auf Dauer nicht fehlerfrei und die Ergebnisse werden aufgrund der Toleranzen der Hardwarespezifikationen stark voneinander abweichen.

Hat das Gerät ein Betriebssystem, kann eine andere Methode eingesetzt werden. Der Energiebedarf unterschiedlicher Firmware oder Software wird hier während ihrer Ausführung gemessen und im Systemspeicher hinterlegt. Nun hat das Betriebssystem die Möglichkeit, Firmware beziehungsweise Software hinsichtlich ihres Batterieverbrauchs in Beziehung zu setzen. Wenn ein Programm ausgeführt oder die Anwendung gestartet wird, kann der gesamte Verbrauch durch die Software ermittelt werden. Dieser Ansatz ist bei einer Veränderung der Software nicht fehlerfrei – er erfordert eine kontinuierliche Abstimmung, die im Lauf der Zeit ziemlich teuer sein kann. Bei einem Upgrade der Betriebssysteme und Programme erfordert dieser Ansatz kontinuierliche Tests, um genaue Ergebnisse zu erbringen.

Methoden zur Messung des Energiebedarfs

Keine der oben diskutierten Methoden führt eine direkte Leistungsmessung der Hardware durch. Leistungsüberwachungs-ICs mehrerer Anbieter lösen dieses Problem teilweise. Im Leistungsüberwachungs-IC werden zur Ermittlung der Momentanleistung Spannung und Strom einer Versorgungsschiene gemessen und kombiniert. Anstatt das System damit zu beschäftigen, die Spannungs- und Stromwerte über zwei getrennte Kanäle auszulesen und dann die Leistung in der Firmware zu berechnen, kann der Systemhost auch einen einzigen Kanal des Leistungswächters auslesen und damit sogleich die Momentanleistung erhalten. Leistungsüberwachungs-ICs können eine High-Side- oder Low-Side-Strommessung aufweisen und die Werte für Spannung, Strom analog ausgeben oder digital rücklesen. Der MAX44298 von Maxim ist ein Beispiel für einen Leistungsüberwachungs-IC (siehe Bild 1). Er verwendet einen externen Widerstandsteiler zum Erfassen von Spannungen über einen weiten Bereich und einen Low-Side-Strommesswiderstand. Er verfügt über drei Stromausgänge für die jeweiligen Momentanwerte von Spannung, Strom und Leistung.

Das analoge Ausgabeformat ist für alle analogen Regelkreise von Vorteil. Zur Überwachung und Steuerung mit digitalen Signalen kann es auch von einem externen Analog-Digital-Wandler via Lastwiderstand gelesen werden. Es ist nicht immer zweckmäßig, dass sich Messwiderstände und der Leistungswächter neben dem ADC beziehungsweise dem Mikrocontroller mit integriertem ADC befinden. Verglichen mit einem Spannungsausgang kann der Stromausgang beim MAX44928 mit einer besseren Störfestigkeit über eine lange Leiterstrecke auf dem Board geführt werden. Auch wenn die Momentanleistung schon bekannt ist, speichert und berechnet das System die Werte die ganze Zeit. Abhängig von der gewünschten zeitlichen Auflösung kann diese Berechnung viel Speicherplatz und zahlreiche Befehlsätze erfordern. Sollen mehrere Versorgungsschienen überwacht werden, steigt der Ressourcenbedarf proportional mit ihrer Anzahl.

Thema der nächsten Seite ist die Ermittlung des Energiebedarfs mit einem Energiezähler

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