Es gibt zahlreiche Online-Diskussionen darüber, wie man mehrere Mikrocontroller in einen Tiefschlafmodus versetzt, um dies zu erreichen. Tatsächlich wurde der ESP32 microWatt genau nach diesem Prinzip entwickelt, weshalb er anstelle eines linearen Spannungsreglers einen integrierten Abwärtswandler besitzt. Der Abwärtswandler erzeugt die 3,3-V-Busspannung nicht nur effizienter, sondern weist auch eine deutlich niedrigere Dropout-Spannung auf. Da der ESP32 microWatt für den Betrieb mit einem 3,7-V-/4,2-V-LiPo-Akku mit einer einzigen Zelle ausgelegt ist … Aber das ist nicht der Kern dieses Beitrags.
In diesem Beitrag zeigen wir das thermische Verhalten von Mikrocontrollern im Tiefschlaf und im aktiven Modus. Unsere Wärmebildkamera erkennt präzise, wann der Mikrocontroller aufwacht, da sich die Temperatursignatur rapide erhöht. Im Tiefschlaf lässt sich dann beobachten, wie die Wärme an die Leiterplatte und benachbarte Bauteile abgegeben wird.
Für unsere Tests ziehen wir zwei gängige Mikrocontroller-Entwicklungsboards in Betracht:
PTSolns Nano Flip und
PTSolns ESP32 Mikrowatt
Auf diesen beiden Entwicklungsboards befinden sich Mikrocontroller (der ATmega328P im Nano Flip und der ESP32 im ESP32 microWatt), die sich erwartungsgemäß erwärmen und abkühlen. Dieses Experiment zeigt jedoch, warum der ESP32 microWatt die optimale Wahl für alle batteriebetriebenen Anwendungen ist. Lesen Sie weiter, um mehr zu erfahren!
Testaufbau:
Beide Platinen wurden identisch konfiguriert. Sie verfügen über einen externen Taster, der den Mikrocontroller zwischen Tiefschlaf- und Aktivmodus umschaltet. Im Tiefschlafmodus sind alle abschaltbaren Komponenten deaktiviert. Im Aktivmodus führten wir einige Programme aus, die den Mikrocontroller auslasteten und die integrierte LED schnell blinken ließen.
Wie im Video, sollten wir das Prellen der Tasten verbessern, da Tastendrücke manchmal nicht korrekt registriert werden. Für unsere Zwecke ist das jedoch kein großes Problem. Eine einfache Software-Entprellung würde genügen.
Beim Nano Flip erfolgt die Stromversorgung über das angeschlossene USB-C-Kabel. Bei diesem Entwicklungsboard macht es kaum einen Unterschied, ob die Stromversorgung über den USB-C-Anschluss oder den Vin-Pin erfolgt. In beiden Fällen wird der integrierte CH340-IC mit Strom versorgt, zieht einen geringen Strom und erzeugt dadurch eine Wärmesignatur, die wir mit der Wärmebildkamera erfassen können.
Beim ESP32 microWatt erfolgt die Stromversorgung über den externen Vin-Pin. Dies ist wichtig, da der Onboard-IC CH340 in dieser Konfiguration ausgeschaltet bleibt und somit Energie gespart wird. Dies lässt sich gut mit der Wärmebildkamera erkennen.
Abschließend lässt sich sagen, dass sich der Nano Flip im NTEA-LG und der ESP32 microWatt im ESP BoB befindet. Dank der beiden Breakout-Adapterplatinen ist der Aufbau besonders schnell und einfach. Ein Steckbrett wird nicht benötigt.
Noch ein letzter Hinweis zum Aufbau. Da der ESP32 in einem Metallgehäuse untergebracht ist (vermutlich aus Gründen der FCC-Konformität), haben wir dieses mit Gewalt entfernt, um den ESP32-IC freizulegen und ein besseres Wärmebild zu erhalten. Tatsächlich lässt sich das Metallgehäuse aber ganz einfach und ohne Kraftaufwand entfernen; eine Spitzzange genügt.
Ergebnisse:
Die vollständigen Ergebnisse finden Sie im Video . Wir stellten fest, dass sich die Mikrocontroller nach dem Aktivieren per Knopfdruck im Vergleich zu den umliegenden Bauteilen sehr schnell erhitzen. Sobald sie in den Tiefschlafmodus wechseln, sinkt die maximale Wärmeentwicklung des Mikrocontrollers und wird über die Leiterplatte und benachbarte Bauteile abgeführt. Sowohl der ATmega328 im Nano Flip als auch der ESP32 im ESP32 microWatt verhalten sich gleich.
Das folgende Bild zeigt die 3D-Wärmebildaufnahme des ESP32-ICs im aktiven Betrieb. Der Hotspot in der Mitte befindet sich direkt auf dem IC. Beachten Sie, dass die Temperatur hier nicht übermäßig hoch ist und sich innerhalb normaler und sicherer Betriebsbedingungen befindet.
Abbildung der thermischen Reaktion von Mikrocontrollern im Tiefschlaf- und Aktivmodus
Was uns bei diesen Tests besonders aufgefallen ist: Der CH340-Chip wird im Nano Flip heiß, bleibt aber im ESP32 microWatt kühl. Dies liegt am Design der Platine und ist ein deutliches Indiz für seine Funktionsfähigkeit. Auch deshalb eignet sich der ESP32 microWatt hervorragend für batteriebetriebene Anwendungen: Der CH340-IC bleibt im Ruhezustand ausgeschaltet.
Schließlich sehen wir noch ein interessantes Phänomen, das wir bereits zu Beginn des Videos besprochen haben: die Reflexion von Infrarotlicht (IR). Glänzende Metallbauteile, wie der USB-C-Anschluss, die Metallgehäuse im Inneren des ESP32 oder sogar die Bauteilleitungen, können wärmer erscheinen, als sie tatsächlich sind, da sie IR-Licht reflektieren und so die Kamera täuschen. Dies ist beim Nano Flip ganz am Anfang des Videos deutlich zu sehen. Die Platine befindet sich im thermischen Gleichgewicht und ist nicht mit Strom versorgt (sie war über 10 Stunden ausgeschaltet). Trotzdem erscheinen einige der glänzenden Metallbauteile bei der Aufnahme mit der Wärmebildkamera um einige Grad wärmer. Dieses Phänomen ändert sich mit dem Aufnahmewinkel oder wenn die Platine gedreht wird. Anfangs mag das verwirrend sein – „Warum wird DIESES Teil heiß?“ –, aber sobald man die Ursache kennt, ist es leicht zu erkennen.
Autor: Rolf Horn, DigiKey
