So lässt sich der Standby-Stromverbrauch senken

Bild 1: Stromverbrauch über die Zeit während eines Advertising-Ereignisses unter Bluetooth LE. Texas Instruments

Bild 2: Blockschaltbild eines elektronischen Türschlosses mit LDO und vier in Reihe geschalteten AA-Zellen. Texas Instruments

Bild 3: Blockschaltbild eines elektronischen Türschlosses mit Hochsetzsteller und vier AA-Zellen in 2s2p-Konfiguration. Texas Instruments

Bild 4: Blockschaltbild eines elektronischen Türschlosses mit Tiefsetzsteller und vier in Serie geschalteten AA-Zellen. Texas Instruments

Bild 5: Der Wirkungsgrad eines Ultra-Low-Power-Tiefsetzstellers bleibt auch bei sehr geringer Last auf einem hohen Niveau. Texas Instruments

Bild 6: Täglicher Energiebedarf der drei beschriebenen Stromversorgungs-Architekturen für das Gesamtsystem und die einzelnen Subsysteme. Texas Instruments

Bild 7: Batterielebensdauer der verschiedenen Stromversorgungs-Architekturen als Funktion der Zahl der Ereignisse pro Tag. Texas Instruments

Das Power-Management ist ein entscheidender Designaspekt in allen IoT- (Internet of Things) und Smart-Home-Produkten. Wenn Konsumenten ein Produkt aufgrund leerer Batterien nicht nutzen können oder es leid sind, die Batterien übermäßig oft wechseln zu müssen, werden sie wahrscheinlich künftig zu einem anderen Produkt greifen. In besonderem Maße trifft dies für elektronische Türschlösser zu. Kommt es hier zu einer Fehlfunktion, ist Frustration die Folge, weil man ein Büro oder ein Hotelzimmer nicht mehr betreten kann.

Abgesehen von dem hohen Spitzenstromverbrauch des Funk-Teils, den es in allen IoT-vernetzten Anwendungen gibt, kommt in elektronischen Türschlössern ein weiterer Verbraucher mit hohem Spitzenstrombedarf hinzu, nämlich der Motor zum Drehen des eigentlichen Schlosses. Den größten Teil des Tages bleiben elektronische Türschlösser jedoch unbenutzt, denn in der Regel werden Türen nur sehr selten ver- oder entriegelt. Gerade diese Kombination aus hohem Spitzenstrombedarf und langen Standby-Zeiten mit sehr niedrigem Strombedarf verlangt aber nach neuen Stromversorgungs-Architekturen, um die Batterielebensdauer zu verlängern.

Aufbau des Systems

Grundsätzlich können elektronische Türschlosssysteme aus vielen integrierten Schaltungen (ICs) bestehen, wie etwa aus LED-Treibern, Wi-Fi-Kommunikationschips etc. Im vorliegenden Artikel soll es jedoch insbesondere um die folgenden drei ICs gehen:

• Mikrocontroller mit drahtloser Konnektivität (zum Beispiel Bluetooth Low Energy)
• Motortreiber
• Power-Management

In diesem gesamten Beitrag wird unter „Ereignissen“ die Ver- oder Entriegelungsvorgänge der Tür verstanden, bei denen der Motor aktiv ist. Zum Beispiel werden das Aufschließen und anschließende Verschließen einer Eingangstür als zwei separate Ereignisse gerechnet. Üblicherweise werden zum Vergleich der Leistungsfähigkeit verschiedener elektronischer Schlösser 24 Ereignisse pro Tag zugrunde gelegt.

Wireless-Mikrocontroller

In einem elektronischen Türschloss kommuniziert der Wireless-Mikrocontroller (MCU) mit einem Mobiltelefon, um eine Tür auf einen per Funk gegebenen Befehl hin zu ver- oder zu entriegeln. Damit dies ohne spürbare Verzögerung geschieht, muss der Wireless-Mikrocontroller aktiv sein, um periodisch ein Advertising-Signal auszusenden und anschließend wieder in den Standby-Status zu wechseln. Der Stromverbrauch im Standby-Betrieb ist deutlich niedriger und liegt meist im einstelligen Mikroampere-Bereich, sodass durchaus lange Batterielebensdauern erzielt werden können.

Advertising-Ereignisse (die nicht mit den Ver- und Entriegelungs-Ereignissen verwechselt werden dürfen), kommen immer dann vor, wenn der Wireless-Mikrocontroller kurzzeitig aktiviert wird, um Identifikations-Informationen zu senden und auf ankommende Verbindungsaufforderungen anderer Geräte (zum Beispiel von einem Smartphone) zu warten. Die Periodendauer der Advertising-Ereignisse kann bei den meisten Bluetooth-LE-Bausteinen zwischen 20 ms und 10,24 s eingestellt werden. Je länger die Periode ist, umso länger dauert ein Verbindungsaufbau, aber umso niedriger ist auch der Stromverbrauch. Eine Periodendauer von 500 ms zwischen zwei Advertising-Ereignissen stellt einen guten Kompromiss zwischen Stromverbrauch und Schnelligkeit des Verbindungsaufbaus dar. In Bild 1 ist der Stromverbrauchs-Verlauf eines typischen Wireless-Mikrocontrollers mit Bluetooth-LE-Kommunikation dargestellt. Dargestellt sind die regulären Stromverbrauchswerte des CC2640. Die Tortendiagramme und Schaubilder in den Bildern 6 und 7 geben das Worst-Case-Szenario mit einer aktiven Stromaufnahme von 9,1 mA und einem Standby-Strom von 2,5 µA wieder, die zur Berechnung der maximalen Ausgangsleistung zugrunde gelegt werden.

Da die Periodendauer der Advertising-Ereignisse programmierbar ist, sind dies die wichtigsten Werte, auf die bei der Auswahl eines Bluetooth-LE-Bausteins hinsichtlich des Stromverbrauchs zu achten ist, die aktive Stromaufnahme (während eines Advertising-Ereignisses) und die Standby-Stromaufnahme. Der Versorgungsspannungsbereich des Simplelink-Bluetooth-Low-Energy-Wireless-Mikrocontrollers CC2640 beträgt 1,8 bis 3,8 V. In dieser Applikationsschrift wird jedoch von einer einheitlichen Betriebsspannung von 2,5 V ausgegangen, um zwischen den verschiedenen Konfigurationen vergleichen zu können.

Motor und Motortreiber

Alle elektronischen Türschlösser benötigen einen Motor und einen Motortreiber, damit das Schloss per Funk und ohne physischen Schlüssel ver- und entriegelt werden kann. Das Stromverbrauchsprofil des Motors ist für jeden Türschlosstyp anders, da das zum Drehen des Schlosses aufzubringende Drehmoment zwischen den verschiedenen Schlossherstellern variiert. Bei vielen Schlössern erreicht die Stromaufnahme des Motors einen Spitzenwert von 1 A. Verlustleistung kann in einem Motortreiber an verschiedenen Stellen abfallen, wobei der größte Anteil auf den Einschaltwiderstand des MOSFET entfällt. Bei der Auswahl eines Motortreibers wird der höchste Wirkungsgrad deshalb mit einem sehr niedrigen Einschaltwiderstand erzielt. Ein Motortreiber wie der DRV8833 muss mit der Energiequelle und dem Motor des Türschlosses zurechtkommen. Unter Berücksichtigung dieser Komponenten liegt die Motortreiberspannung üblicherweise bei 5 V.

Power-Management

Das Power-Management hat die Aufgabe, die schwankende Batteriespannung in die von den verschiedenen Verbrauchern (Wireless-Mikrocontroller, Motortreiber und etwaige weitere Subsysteme) benötigten Spannungen umzuwandeln. Durch das Power-Management wird das System zwangsläufig teurer, nimmt an Volumen zu und büßt an Effizienz ein. Deshalb kommt es darauf an, das gesamte System mit Blick auf das Power-Management zu konzipieren, das schließlich mit jedem einzelnen Subsystem zusammenarbeiten muss.

Der Wirkungsgrad des Power-Managements ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems – besonders in einer IoT-vernetzten Anwendung wie einem elektronischen Türschloss. Wichtig ist dieser Wirkungsgrad natürlich bei der maximalen Belastung des Systems, wenn also der Motor läuft und der Wireless-Mikrocontroller eine aktive Verbindung unterhält. Wirklich kritisch aber wird er, wenn sich das System im Standby-Modus befindet und nur wenige Mikroampere aufnimmt. Bei sehr geringer, aber auch bei hoher Last gleichermaßen effizient zu sein, stellt eine echte Herausforderung dar und verlangt nach eigens hierfür ausgelegten ICs.

Im Endeffekt muss das Power-Management auf die vom Anwender installierten Batterien ausgelegt sein. Typ, Anzahl und Konfiguration der Batterien gehen Hand in Hand mit der Stromversorgungs-Architektur und dem Power-Management des Systems. Bedingt durch ihre allgemeine Verfügbarkeit und ihren günstigen Preis sind Alkalibatterien der Größe AA in elektronischen Türschlössern weit verbreitet. Ihre Zellenspannung beträgt durchschnittlich 1,25 V, kann aber zwischen 1,6 V (im absoluten Neuzustand) und unter 1 V (bei vollständiger Entladung) variieren. Mit vier AA-Zellen lässt sich eine Lebensdauer von vier Jahren erzielen.

Bei vielen elektronischen Türschlössern wird mit dem Einsatz linearer Low-Dropout-Regler (LDOs) versucht, ein möglichst kostengünstiges Power-Management zu realisieren, auch wenn dies zu Lasten des Wirkungsgrads geht. Neuere, kosteneffektive Power-Management-Lösungen dagegen können die Batterielebensdauer bei nur geringen Mehrkosten mehr als verdoppeln. Geschaltete Gleichspannungswandler, und zwar sowohl Boost-Wandler (Hochsetzsteller) als auch Buck-Wandler (Tiefsetzsteller), bewirken verglichen mit LDO-Lösungen eine Anhebung des Wirkungsgrads und eine entsprechende Verlängerung der Batterielebensdauer.

Linearregler

Die vier AA-Batterien werden in 4s1p-Konfiguration (vier in Serie geschaltete Zellen) eingesetzt, um die nötige Spannung von 5 V für den Betrieb des Motors bereitzustellen. In diesem Fall wird nur ein einfacher Motortreiber zum Ein- und Ausschalten des Motors benötigt, ohne jedes zusätzliche Power-Management. Das Motorsubsystem arbeitet deshalb mit einem Wirkungsgrad von nahezu 100 %.

LDOs reduzieren die Batteriespannung auf einen niedrigeren Wert, indem sie beispielsweise die 5 V der Batterie auf die vom Wireless-Mikrocontroller benötigten 2,5 V herabsetzen. Ein LDO, der 5 V in 2,5 V verwandelt, kann bestenfalls einen Wirkungsgrad von 50 % erreichen, aber im Standby-Modus wird die Effizienz wegen der Ruhestromaufnahme des LDO noch deutlich geringer ausfallen. Unter anderem eignet sich der TPS76625 dazu, die Spannung von vier AA-Batterien auf 2,5 V herunterzusetzen. Tatsächlich kommt dieser Baustein bei höheren Lastströmen auf 50 % Wirkungsgrad, während der Wirkungsgrad bei einem Standby-Strom von 1,2 µA wegen der 35 µA betragenden Ruhestromaufnahme auf nur mehr 2 % zurückgeht. Diese sehr niedrige Effizienz sorgt für einen relativ hohen Stromverbrauch im Standby-Status des Schlosses, mit der Folge einer entsprechenden geringeren Batterielebensdauer. Das Blockschaltbild eines typischen LDO-basierten Systems ist in Bild 2 zu sehen.

Boost-Wandler

Um die geringe Effizienz des LDO im Standby-Status zu vermeiden, wird die Batteriekonfiguration geändert und stattdessen ein Hochsetzsteller eingesetzt. In diesem Fall wird die Wireless-MCU direkt mit dem Batteriesatz verbunden, für den hier eine 2s2p-Konfiguration (Parallelschaltung aus zwei in Serie geschalteten Zellen) gewählt wurde. Da also nach wie vor vier Zellen zum Einsatz kommen, entsprechen die Kosten und der Energiegehalt genau dem zuvor beschriebenen Fall. Da aber jeweils nur zwei Zellen in Serie geschaltet sind, beträgt die Gesamtspannung des Batteriesatzes lediglich 2,5 V – ideal also für die Wireless-MCU, und folglich erreicht jetzt diese Konfiguration einen Wirkungsgrad von 100 %.

Da der Motor aber nach wie vor 5 V benötigt, müssen die 2,5 V des Batteriesatzes entsprechend hochgesetzt werden. Ein typischer Hochsetzsteller wie der TPS61030 kommt bei der Versorgung des Motors auf einen Wirkungsgrad von ungefähr 85 %. Der Wirkungsgrad und das Hochsetzverhältnis sorgen dafür, dass der Hochsetzsteller sehr viel Strom aus der Batterie entnimmt, was die Verluste in die Höhe treibt. Bild 3 zeigt das Blockschaltbild eines typischen Systems mit Hochsetzsteller.

Tiefsetzsteller

Auf der Basis der schon beim LDO-System verwendeten Stromversorgungs-Architektur wird anstelle des LDO ein Tiefsetzsteller verwendet, was den Wirkungsgrad deutlich anhebt. Bei Volllast des Wireless-Mikrocontrollers kommt ein Tiefsetzsteller wie der TPS62745 auf 90 % Wirkungsgrad, während das Motor-Subsystem seinen Wirkungsgrad von fast 100 % behält, weil es direkt mit dem Batteriesatz verbunden ist. Das Blockschaltbild eines typischen Tiefsetzsteller-Systems ist in Bild 4 zu sehen.

Ein konventioneller Tiefsetzsteller besitzt eine relativ hohe Ruhestromaufnahme (I_Q), was ebenso wie im Fall des LDO den Wirkungsgrad im Standby-Modus drastisch verringert. Der in diesem Beispiel verwendete Ultra-Low-Power-Tiefsetzsteller allerdings ist mit seinem extrem niedrigen I_Q-Wert speziell für IoT-Applikationen ausgelegt, die durch hohe Spitzenströme und lange Standby-Zeiten gekennzeichnet sind. Wie in Bild 5 erkennbar ist, ist bei den typischen Lastströmen im Standby-Status und mit 2,5 V Ausgangsspannung dank des äußerst niedrigen I_Q-Werts ein Wirkungsgrad von über 67 % möglich.

Gegenüberstellung verschiedener Power-Management-Architekturen

Der Wirkungsgrad der Stromversorgungs-Architektur ist entscheidend für die Fähigkeit, die Batterielebensdauer eines elektronischen Türschlosses zu verlängern. Um die Batteriespannung in die Versorgungsspannungen der einzelnen Subsysteme umzuwandeln, ist ein Power-Management notwendig, das jedoch zum Funktionieren einen Teil der Batterieenergie benötigt.

Bild 6 zeigt anhand dreier Tortendiagramme den Stromverbrauch aller drei hier beschriebenen Systeme in einer realen Türschloss-Applikation über einen Betriebstag hinweg. An den Prozentsätzen ist erkennbar, welcher Teil des Energiebudgets des Gesamtsystems von den einzelnen Subsystemen verbraucht wird, während die Balkendiagramme Auskunft über den Gesamt-Stromverbrauch jeder Stromversorgungs-Architektur geben. Wie weiter oben erwähnt, basieren die Berechnungen auf einer Advertising-Periode von 500 ms und 24 Ver- und Entriegelungs-Ereignisse pro Tag. Für die visuelle Darstellung ist die Größe jedes Tortendiagramms proportional zur Gesamt-Leistungsaufnahme der drei Architekturen. Je größer also das Tortendiagramm, umso größer ist die Leistungsaufnahme. Darüber hinaus gibt die Höhe jedes Tortendiagramms die Leistungsaufnahme wieder.

Bild 7 vergleicht die drei Architekturen anhand der Batterielebensdauer (auf der y-Achse) als Funktion der Zahl der Ver- und Entriegelungs-Ereignisse (auf der x-Achse). Bei vielen Anwendungen mit weniger als 36 Ereignissen pro Tag lässt sich mit den Hoch- und Tiefsetzsteller-Architekturen eine Steigerung der Batterielebensdauer gegenüber der LDO-Architektur erzielen. In Systemen mit mehr Ereignissen liegt die Tiefsetzsteller-Architektur nach wie vor vorn. Die Hochsetzsteller-Lösung schneidet dagegen schlechter ab als die LDO-Architektur, weil der Motor wegen der häufigeren Ereignisse mehr Leistung benötigt.

Zusammenfassung

Neue Stromversorgungs-Architekturen ermöglichen bei IoT-vernetzten Anwendungen wie etwa elektronischen Türschlössern eine deutliche Steigerung der Batterielebensdauer gegenüber den aktuellen, auf LDOs basierenden Implementierungen. Ein geschalteter Tief- oder Hochsetzsteller führt bei elektronischen Türschlössern mit weniger als 36 Ver- und Entriegelungsereignissen pro Tag zu einer Verbesserung der Batterielebensdauer. Mit einem Ultra-Low-Power-Tiefsetzsteller kann sich die Batterielebensdauer von Systemen mit wenigen Ereignissen mehr als verdoppeln, während sich die Lebensdauer bei Systemen mit mehr Ereignissen fast verdoppelt. Die äußerst geringe Ruhestromaufnahme eines solchen Tiefsetzstellers ist entscheidend für diesen Lebensdauerzuwachs, da der Wirkungsgrad während der langen Standby-Zeiten solcher Systeme gravierend angehoben wird. Designer von vernetzten und IoT-Systemen sollten ihre Power-Management-Architekturen noch einmal überdenken, um sicherzustellen, dass ihre Produkte die optimale Batterielebensdauer erreichen.

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