Neue IC-Generation ermöglicht längere Akkulaufzeiten

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

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

In einem mobilen Gerät kann die Liste der Schienen und Module, die bei der Bestimmung des genauen Batterieverbrauchs überwacht werden müssen, lang sein: Stromversorgung, CPU, Wireless-Module, interner Speicher, Display-Hintergrundbeleuchtung und -Steuerung, Datenspeicher, Kameras, Touchscreen, Audio, GPS, Sensoren und dergleichen. Obwohl es seit Jahrzehnten die Hardware-Energiemessung und entsprechende Messmethoden gibt, werden bei der Umsetzung dieser Funktionalität in die Hardware immer wieder Kompromisse gemacht. Für Leistungsüberwachungs-ICs gibt es viele nützliche Anwendungen, dazu gehört aber nicht unbedingt die Abschätzung des Energiebedarfs vieler Schienen in der Hardware. Die Notwendigkeit zur Überwachung der Momentanleistung, verbunden mit der Fähigkeit, die Messungen über die Zeit zu kumulieren, hat einen neueren IC-Typ hervorgebracht: den Energiezähler-IC.

Bild 2: Blockschaltbild für den Energiezähler MAX34407. Maxim

Zusätzlich zur Messung von Spannung und Strom für die Ermittlung der Momentanleistung speichert ein Energiezähler-IC die Werte solange über die Zeit, bis das System die kumulierten Werte wieder einliest. Der MAX34407 von Maxim (Bild 2) ist ein gutes Beispiel für einen solchen Baustein. In einem 2,3 mm × 2,2 mm kleinen Gehäuse übernimmt diese Bausteinfamilie die Energiemessung aus vier verschiedenen Kanälen durch Kumulation der Werte bis zu 17 Minuten.

Obwohl das Hinzufügen einer Hardwarekomponente zur Erhöhung der Akkulaufzeit widersinnig erscheint, beanspruchen die genauen Leistungsmessungen des MAX34407 im kontinuierlichen Betrieb weniger als 1 mW (ein Prozent Leistungsmessfehler bei Stromsensorspannung von >1 mV). Mit der genauen Ermittlung des Energiebedarfs anhand des einfach anwendbaren Systems können Hardware- und Software-Entwicklerteams fundierte Entscheidungen zur Optimierung der Akkulaufzeit treffen.

Bei vielen Anwendungen mit Beschränkungen hinsichtlich Kosten oder Platz ist der Einbau einer zusätzlichen Komponente für die Hardware-Energiemessung schlicht undenkbar. Einerseits wird diese Funktionalität zwar gewünscht, andererseits können viele Entwickler den Einsatz von Komponenten wie den MAX34407 nicht rechtfertigen. Mit dem Ladezustandsmesser-IC gibt es aber erfreulicherweise noch eine weitere Lösung, die eine ähnliche Funktionalität bietet und sich eine Buchse zunutze macht, die jedes Board in tragbaren Geräten besitzt. Der MAX17055 von Maxim überwacht den Batteriestrom durchgängig und kombiniert den industrieweit führenden „ModelGauge m5“-Algorithmus für die Ladezustandmessung mit der Energiemessung der Hardware. Gleichgültig, ob ein austauschbarer Akkusatz oder eine fest verbaute Batterie verwendet werden – Bild 3 zeigt, wie der MAX17055 als Ladezustandsmesser angeschlossen werden kann.

Bild 3: Übliche Anwendung des MAX17055. Maxim

Die Abwägung einer Leistungsmessung auf Systemschienenebene gegenüber einer Leistungsmessung am Ladezustandesmesser wird bestimmt durch die Fähigkeit, absolute Leistung beziehungsweise relative Leistung bewerten zu können. Moderne Betriebssysteme bieten Tools für die Ermittlung der Akkulaufzeit, zum Beispiel die Windows 10 Energy Estimation Engine. Um jede aktive Schiene unmittelbar zu messen, empfiehlt sich für die Hardware die Anwendung eines Energiezählers wie den MAX34407. Wenn ein System die Überwachung vieler Schienen bei geringem Platzangebot erfordert, sollte für alle Nieder- und Mittelspannungsanwendungen dieser IC in Betracht gezogen werden. Einige Hersteller wollen nur zwei Hardware-Modi vergleichen, um zu sehen, welcher Modus mehr Energie benötigt. Die Effizienz jedes Modus kann beobachtet werden, indem das Gerät zunächst in den einen, dann in den anderen Zustand versetzt und jeweils der Batterieverbrauch über die Zeit gemessen wird. In Systemen, in denen keine diskreten Energiezähler für die direkte Messung platziert werden können, ermöglichen die indirekten Messwerte vom Ladungszustandsmesser Vergleiche des Energiebedarfs. Für Unternehmen, die große App-Shops von Drittanbietern betreiben, bieten indirekte Energiemessungen eine Möglichkeit, um die Effizienz und Qualität eines Programms mit einem anderen zu vergleichen. Um diese Funktion zu nutzen, kann der MAX17055 in tragbaren Geräten eingesetzt werden, ohne zusätzliche Hardware- und Software-Anforderungen.                                                          

Zusammenfassung

Die Methoden für die genaue Schätzung des Energiebedarfs unterscheiden sich in ihrer Komplexität; aber jede Methode, die zu einer potenziellen Verlängerung der Akkulaufzeit führt, ist von Nutzen für zukünftige mobile elektronische Geräte. Zwar haben Leistungsüberwachungs-ICs und Strommesser ihre Berechtigung, gleichwohl finden sich für Energiezähler-ICs viele Anwendungen bei Handhelds und wiederaufladbaren Produkten. Detaillierte Informationen zum Energiebedarf eines Produkts führen zu etlichen Erkenntnissen. Erstens ergeben sich mit dem Wissen zur Stromaufnahme oft Methoden zur Optimierung eines Produkts mit größtmöglicher Akkulaufzeit. Zweitens ist es bei der Untersuchung des Nutzerverhaltens sehr wertvoll zu wissen, wie Menschen mit ihren Geräten interagieren. Vielleicht sollte das Zitat von Sir Francis Bacon geändert werden: “Knowledge is Power, which leads to more of both.“

(ah)