Verlängerung der AkkulaufzeitEine der wichtigsten Techniken zur Verlängerung der Akkulaufzeit besteht darin, den Mikrocontroller möglichst lange im Energiesparmodus zu betreiben. Abbildung 1 veranschaulicht, wie hohe Betriebsgeschwindigkeiten und kurze Aufwachzeiten kombiniert werden können, um den durchschnittlichen Stromverbrauch zu reduzieren. Ziel ist es daher, dass der Mikrocontroller seine Aufgaben so schnell wie möglich erledigt, damit er über einen längeren Zeitraum im Energiesparmodus verbleiben kann.
Ein Mikrocontroller, der mit niedriger Spannung arbeiten kann, ist ebenfalls entscheidend für eine maximale Batterielebensdauer. Abbildung 2 (mit freundlicher Genehmigung von Energizer) veranschaulicht die Betriebsdauer einer Lithium-Alkaline-Knopfzelle in einem typischen Datenlogger. Die Batterie befindet sich die meiste Zeit im Energiesparmodus und wird nur gelegentlich zur Datenverarbeitung reaktiviert. Die Grafik zeigt, dass sich die empfohlene Lebensdauer von fünf Jahren für eine AAAA-Alkaline-Batterie durch den Betrieb mit niedrigerer Spannung um weitere sechs Monate verlängern lässt.
Erhöhte Zuverlässigkeit:
Der Oszillator des Mikrocontrollers beeinflusst zahlreiche Aspekte der Systemleistung, der Kosten, der Herstellbarkeit und der Zuverlässigkeit. Moderne Mikrocontroller arbeiten nicht nur mit höheren Geschwindigkeiten, sondern können auch ohne externe Taktquelle mit voller Geschwindigkeit betrieben werden und bieten ein breites Spektrum an intern generierten Taktfrequenzen. Dadurch kann die Software bei Spannungsabfall auf eine niedrigere Frequenz umschalten, um innerhalb der Betriebsspezifikationen zu bleiben, oder die Geschwindigkeit erhöhen, wenn eine Stromversorgung angeschlossen wird.
Ein zuverlässiger Startvorgang des Quarzes stellt eine weitere häufige Herausforderung in der Fertigung dar. Ursachen für einen unzuverlässigen Start sind unter anderem schwankende Bauteilqualität, Flussmittelrückstände und Schaltungsfehler. Viele dieser Probleme lassen sich durch die Verwendung hochwertiger Quarze und den Einsatz von Design- und Testverfahren, wie beispielsweise von Quarz- und Mikrocontrollerherstellern angebotenen Negativwiderstandsmessungen, vermeiden. Insbesondere bei Niederfrequenzschaltungen kann die Quarzvorspannung hilfreich sein. Dadurch lässt sich die Vorspannung erhöhen, um einen zuverlässigen Start unter verschiedenen Bedingungen zu gewährleisten, oder verringern, um den Stromverbrauch zu senken.
Ein entscheidendes Merkmal zur Verbesserung der Zuverlässigkeit ist die ausfallsichere Taktüberwachung, die die Systemtaktübergänge kontinuierlich überwacht. Werden einige Übergänge verpasst, schaltet die ausfallsichere Taktüberwachung die Taktquelle automatisch auf den internen Oszillator um und unterbricht die CPU. Dadurch kann der Mikrocontroller kritische Funktionen aufrechterhalten und ein kontrolliertes Herunterfahren durchführen.
Ein weiterer Faktor, der die Zuverlässigkeit beeinflusst, ist die häufige Ersetzung von Daten-EEPROM durch Softwareemulation im Flash-Speicher, obwohl einige Anwendungen weiterhin eine unabhängige Datenspeicherung benötigen. Neuere Mikrocontroller-Generationen integrieren zwar hochbeständige Daten-EEPROM mit bis zu 100.000 Schreib-/Löschzyklen, diese sind jedoch für mobile Industrieanwendungen noch nicht wirtschaftlich. Der minimale Spannungsbereich für Schreibvorgänge sollte jedoch berücksichtigt werden, da er höher als die minimale Betriebsspannung des Mikrocontrollers sein und somit den tatsächlichen Betriebsbereich einschränken kann.
Rauschmanagement:
Obwohl Niederspannungs-Mikrocontroller in Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen eingesetzt werden können, vereinfacht eine 5-V-Stromversorgung das Platinendesign, erhöht die Störfestigkeit und verbessert die Kompatibilität mit bestehenden Designs. Mit der Miniaturisierung von Bauformen sinkt jedoch die Verfügbarkeit neuer 5-V-Mikrocontroller. Um der anhaltenden Nachfrage nach 5-V-Betrieb gerecht zu werden, haben Chiphersteller neue Verfahren für den Betrieb mit höheren Spannungen in kleineren und kostengünstigeren Bauformen entwickelt.
Zur weiteren Verbesserung der Störfestigkeit unterstützen verschiedene Eingangspuffertypen an Port- und Peripheriepins unterschiedliche Funktionen, selbst wenn sie auf demselben Pin gemultiplext sind. Schmitt-Trigger-Eingänge bieten im Vergleich zu ihren TTL-Pendants einen größeren Eingangsschwellenbereich und erhöhen die Störfestigkeit des Systems.
Der hohe Steuerwiderstand des Ports ist ein weiterer wichtiger Designaspekt, der über die reine LED-Ansteuerung hinausgeht. Er verhindert unerwünschte Kopplungen in der Nähe von störanfälligen Schaltungen wie Schaltreglern und schnellen PWM-Signalen. Das erhöhte abgestrahlte Rauschen lässt sich durch einen kleinen RC-Filter am Port-Pin reduzieren, um die Vorteile des hohen Steuerwiderstands zu erhalten.
Ein gutes Beispiel für die in diesem Artikel besprochenen Aspekte ist der in Abbildung 3 dargestellte Durchflussmesser. Die in den Mikrocontroller integrierte CTMU (Charge Time Measurement Unit) erfasst Durchflussrate, Temperatur und die Eingaben des kapazitiven Tastenfelds des Messgeräts. Die Batteriespannung wird mittels eines 12-Bit-Differenz-A/D-Wandlers und einer Spannungsreferenz überwacht, während das energiesparende Startmodul periodische Reaktivierungen auslöst. Diese Konstruktion demonstriert, dass sich durch die Nutzung der Funktionen moderner Mikrocontroller eine robuste, energiesparende und gleichzeitig leistungsstarke Konstruktion realisieren lässt.
Autor:
David Otten und Joel Mach von Microchip Technology Inc.
