Dynamische Leistungsanalyse
Wenn der Mittelwert beim Stromverbrauch täuscht
Vernetzte Elektronik wechselt in Sekundenbruchteilen zwischen Tiefschlaf und hoher Last. Wer nur auf den Mittelwert schaut, übersieht kritische Spitzen. Entscheidend ist eine Messtechnik, die den gesamten Betriebszyklus lückenlos erfasst.
Der modulare DC-Leistungsanalysator IT2705 von ITECH erfasst dynamische Strom- und Spannungsverläufe über mehrere Kanäle. In Verbindung mit passenden Modulen lassen sich damit unter anderem Low-Power-Zustände, Lastspitzen und Batterieszenarien untersuchen.
Schulz Electronic
Die Verbrauchsanalyse ist eine zentrale Aufgabe im Entwicklungs- und Validierungsprozess. Entwickler prüfen, wie lange ein Gerät mit einer Akkuladung arbeitet, ob die Versorgung bei Lastspitzen stabil bleibt und welche Betriebszustände besonders viel Energie beanspruchen. Dazu zeichnen geeignete Messsysteme das dynamische Lastprofil des Prüflings auf.
„Ein Durchschnittswert allein sagt bei solchen Anwendungen nur wenig aus. Entscheidend ist, ob das Messsystem sowohl die sehr kleinen Ströme während der Ruhephasen als auch kurze, hohe Lastspitzen zuverlässig erfasst“, erklärt Michael Neeb, Niederlassungsleiter Berlin bei Schulz-Electronic. Das Unternehmen ist auf Stromversorgungs- und Prüftechnik für Entwicklungs-, Test- und Produktionsumgebungen spezialisiert.
Vom Tiefschlaf bis zur Sendespitze
Wie anspruchsvoll eine solche Messaufgabe ist, zeigt das Beispiel eines Funksensors: Er schläft, wacht für eine Messung auf, verarbeitet Daten und überträgt sie über BLE, WLAN oder LoRa. Ähnlich arbeiten Wearables, Medizinelektronik sowie mobile optische Sensor- und Lasermesssysteme. Im Tiefschlaf fließen häufig nur wenige Mikroampere, beim aktiven Mikrocontroller einige zehn Milliampere und während der Funkkommunikation mehrere hundert Milliampere. Kurzzeitig können sogar mehrere Ampere auftreten.
Ein Mittelwert bildet weder diese unterschiedlichen Betriebszustände noch eine versorgungskritische Spitze zuverlässig ab. Für belastbare Analysen müssen Schlafen, Aufwachen, Rechnen, Senden und die Rückkehr in den Ruhemodus zusammenhängend erfasst werden. Neben Minimum, Maximum und Mittelwert sind dabei auch Anstiegszeit, Impulsdauer und Energie relevant. Zwei Firmware-Versionen können beispielsweise trotz identischen Spitzenstroms zu unterschiedlichen Laufzeiten führen.
Auch die Laborbedingungen müssen die reale Anwendung möglichst genau abbilden. Eine ideale Spannungsquelle verhält sich anders als eine Batterie, deren Innenwiderstand und Spannungsverhalten unter anderem vom Ladezustand, der Temperatur und dem Alterungszustand abhängen. Sinkt die Klemmenspannung bei einem Stromimpuls, kann das Gerät abschalten oder neu starten. Versorgung, Batteriesimulation und Analyse müssen deshalb zusammenspielen.
„Ein Messaufbau ist nur aussagekräftig, wenn er das Prüflingsverhalten nicht verändert. Regelt eine idealisierte Quelle den realen Spannungseinbruch vollständig aus, untersucht man womöglich einen praxisfernen Zustand“, betont Neeb. Reproduzierbare Versorgungsprofile schaffen dagegen die Grundlage für belastbare Vergleiche.
Wenn die Messung selbst zum Störfaktor wird
Schnelle Lastwechsel fordern konventionelle Stromversorgungen heraus. Beim Aufwachen, beim BLE-Advertising oder beim Aufbau einer WLAN-Verbindung steigt der Strom abrupt. Kann die Stromversorgung einem solchen Lastsprung nicht schnell genug folgen oder verursachen Leitungs- und Übergangswiderstände zusätzliche Spannungsabfälle, sinkt die Versorgungsspannung am Prüfling.
Der Unterspannungsschutz kann daraufhin einen Neustart auslösen oder die Kommunikation abbrechen. Damit wird der eigentlich zu untersuchende Ablauf verfälscht.
Ein weiterer Fehler kann beim Erfassen stark unterschiedlicher Stromstärken entstehen. Ein hoher Messbereich bewältigt Ampere-Spitzen, löst kleine Ruhe- und Leckströme jedoch schlechter auf. Ein empfindlicher niedriger Bereich wiederum kann bei hohen Spitzen an seine Grenzen stoßen. Automatische Bereichsumschaltungen lösen diesen Zielkonflikt nur dann, wenn beim Wechsel keine Abtastlücke entsteht. Andernfalls können kurze Wake-up- oder Sendepulse unentdeckt bleiben.
Fehlt ein Teil des Stromverlaufs, wird auch die Energieaufnahme falsch berechnet. Über Tausende Aktivierungszyklen kann daraus eine zu optimistische Laufzeitprognose entstehen. „Ein sauberer Mikroampere-Wert und ein korrekt erfasster Spitzenwert genügen nicht, wenn der Übergang dazwischen unsichtbar bleibt“, sagt Neeb. „Für die Entwicklung zählt die vollständige Kurve.“
Nahtlose Bereichswechsel schließen blinde Flecken
Eine Messplattform für solche Anwendungen muss niedrige Ströme auflösen, Ampere-Spitzen erfassen, bei Bereichswechseln kontinuierlich abtasten und Lastsprünge stabil versorgen. Hinzu kommen eine ausreichende Abtastrate, Triggerfunktionen sowie die gemeinsame Darstellung von Spannung, Strom und Leistung. Für Langzeittests sollten zudem Trends über längere Zeiträume protokolliert werden können.
Ein Beispiel dafür ist der modulare DC-Leistungsanalysator IT2705 von ITECH in Verbindung mit dem Vier-Quadranten-SMU-Modul IT27814. Das Modul arbeitet als Quelle und Messeinheit und kann Strom und Spannung in allen vier Quadranten abbilden. Eine automatische, nahtlose Strombereichsumschaltung soll die kontinuierliche Erfassung auch während des Bereichswechsels sicherstellen. Dadurch lassen sich Mikroampere-Ruhephasen und schnelle Stromspitzen innerhalb desselben Testablaufs untersuchen.
Im Scope-Modus erreicht die Plattform laut Hersteller Abtastraten von bis zu 200 kSa/s. Im Data-Logger-Modus sind Aufzeichnungsintervalle ab 20 µs möglich.
Das IT27814 ist für ±20 V, ±3 A und ±20 W ausgelegt. Unter den spezifizierten Messbedingungen gibt der Hersteller eine dynamische Reaktionszeit von bis zu 35 µs an. Damit richtet sich die Konfiguration an Low-Power-Anwendungen, bei denen ein großer Strombereich, kurze Ereignisse und eine stabile Versorgung zusammenkommen.
Quelle, Senke und Analyse auf einer Plattform
Die Vier-Quadranten-Architektur geht über die reine Strommessung hinaus. Das Modul kann Energie sowohl bereitstellen als auch aufnehmen. Über die Batteriesimulation lassen sich definierte Versorgungszustände wiederholt nachbilden. So lässt sich untersuchen, wie sich ein Gerät bei sinkendem Ladezustand, vorgegebenem Innenwiderstand oder wiederkehrenden Lastpulsen verhält. Das erleichtert unter anderem den Vergleich unterschiedlicher Hardwarevarianten.
Das IT2705-Grundgerät nimmt bis zu acht Module auf. Neben SMUs stehen DC-Quellen, bidirektionale Quellen und regenerative elektronische Lasten zur Verfügung. Galvanisch isolierte Kanäle ermöglichen die synchrone Betrachtung mehrerer Versorgungsschienen. Über die Bedienoberfläche und die Software PV2700 lassen sich Kurven analysieren, Daten protokollieren und Testabläufe automatisieren. Abhängig von der Anwendung kann eine solche modulare Plattform mehrere Einzelgeräte in einem Prüfaufbau zusammenfassen.
Von der Messaufgabe zur passenden Konfiguration
Welche Ausstattung sinnvoll ist, hängt vom jeweiligen Lastprofil ab. Entscheidend sind unter anderem die auftretenden Ruhe- und Spitzenströme, die Geschwindigkeit der Übergänge und die Zahl der Versorgungsschienen, die synchron erfasst werden sollen. Hinzu kommen Anforderungen an Batteriesimulation, Langzeitmessung und Automatisierung. Daraus ergeben sich die benötigten Module, Schnittstellen und Softwarefunktionen.
Schulz-Electronic bietet die ITECH-Lösung an und unterstützt bei deren Konfiguration und Integration in Prüfaufbauten. „Insbesondere bei modularer Messtechnik entscheidet die Applikation über die sinnvolle Ausstattung“, erläutert Neeb. „Eine sorgfältige Anforderungsanalyse verhindert Messlücken und unnötige Komplexität. Ziel ist ein Aufbau, der kritische Zustände reproduzierbar erzeugt und vollständig erfasst.“
Neben der Auswahl der Komponenten gehören dazu je nach Projekt auch Systemintegration, Inbetriebnahme und Support. Entscheidend bleibt, die Funktionen der einzelnen Messgeräte in einen reproduzierbaren Prüfprozess zu überführen.
Vom Messwert zur Entwicklungsentscheidung
Lückenlose Messdaten ermöglichen eine gezielte Optimierung des Energiebedarfs. Entwickler können beispielsweise untersuchen, ob eine kürzere Funkübertragung mehr Einsparpotenzial bietet als ein weiter reduzierter Tiefschlafstrom, ob ein Kondensator Lastspitzen ausreichend puffert oder ob das Power-Management zu früh eingreift. Nach Änderungen an Firmware, Funkprotokoll oder Hardware zeigt ein Regressionstest, ob der Energiebedarf tatsächlich sinkt oder sich lediglich innerhalb des Betriebszyklus verschiebt.
Die Methodik unterstützt auch die Auswahl der Batterie. Neben dem Durchschnittsstrom müssen dabei Spitzenbelastbarkeit, Spannungsverlauf, Innenwiderstand und Nutzungsprofil berücksichtigt werden. Das reduziert das Risiko, dass ein Gerät rechnerisch die geforderte Laufzeit erreicht, im praktischen Einsatz jedoch aufgrund einzelner Lastspitzen vorzeitig ausfällt.
Gerade bei Wearables, Funkmodulen, optischen Messsystemen und Medizinelektronik entscheidet eine realitätsnahe Betrachtung des gesamten Lastprofils darüber, ob Laufzeit und Versorgungssicherheit auch unter realen Einsatzbedingungen erreicht werden.
Fazit: Energieeffizienz braucht das vollständige Bild
Der Energieverbrauch von Low-Power-Geräten lässt sich nicht auf einen Mittelwert reduzieren. Entscheidend ist das Zusammenspiel aus Ruheströmen, Übergängen, Lastspitzen und dem Verhalten der realen Energiequelle. Messbereich, Abtastrate und Versorgungsdynamik müssen deshalb gemeinsam betrachtet werden.
Nahtlose Bereichswechsel helfen, blinde Flecken im Stromverlauf zu vermeiden. Quellen-, Senken-, Batterie- und Analysefunktionen ermöglichen zugleich reproduzierbare Tests unter unterschiedlichen Versorgungsbedingungen. Lösungen wie IT2705 und IT27814 zeigen, wie sich vollständige Betriebszyklen innerhalb einer modularen Messplattform erfassen und für die Optimierung von Laufzeit und Versorgungssicherheit auswerten lassen.
Autor
Patrick Schulze, Journalist für Wordfinder
