Die Designregeln für kleinere Halbleiter haben auch zu niedrigeren Betriebsspannungen geführt. Dies vereinfacht die Entwicklung batteriebetriebener Schaltungen und ermöglicht eine lange Betriebsdauer mit einer einzelnen Alkali- (1,5 V) oder Lithiumbatterie (3,6 V). Verbesserungen bei integrierten Schaltkreisen für das Energiemanagement (wie z. B. die energiesparenden Leerlauf- und Standby-Modi von Mikrocontrollern) tragen ebenfalls zu längeren Betriebsdauern bei.
Die Erwartungen der Endnutzer stehen jedoch oft im Widerspruch zu den Zielen der Entwickler, die Akkulaufzeit zu verlängern. Ein weiterer Faktor, der die Akkus vieler moderner Mobilgeräte belastet, ist der Trend zu großen Farbbildschirmen mit mehr Funktionen, die den Prozessor stark beanspruchen (z. B. Multi-Touch-Bedienelemente). Gleichzeitig besteht ein ständiger Bedarf an zusätzlichen Funktionen und erweiterten Leistungsmerkmalen bei Produkten – von kleinen Industriesensoren bis hin zu Smartphones mit Mehrwertfunktionen wie Medienspeicherung und -wiedergabe, mobilem Internet und Digitalkameras für Fotos und Videos.
Diese Faktoren beeinflussen sowohl die erforderliche Batteriekapazität als auch deren Fähigkeit, hohe Entladeströme zu liefern, die für Anwendungen wie digitale Mediengeräte notwendig sind. Im Allgemeinen müssen Entwickler zusätzliche Funktionen bei gleichen oder kleineren Abmessungen als die Vorgängergeneration anbieten. Dies verhindert, dass sie einfach eine größere Batterie mit höherer Kapazität verwenden können.
Batterieauswahl:
Die gängigsten Batterietypen für tragbare Geräte sind Lithium-Mangan-Knopfzellen, wie z. B. die 3-V-Zelle CR2032 (20 mm Durchmesser x 3,2 mm), 1,5-V-Zellen wie die LR44 (11,6 mm Durchmesser x 5,4 mm) oder Alkali- bzw. Lithiumbatterien in Standardgrößen, bekannt als AA (51 mm Durchmesser x 14 mm) oder AAA (44,5 mm Durchmesser x 10,5 mm).
Batterieeigenschaften wie Energiedichte, Entladestrom und Kosten werden durch die chemische Zusammensetzung bestimmt. Lithium-Mangan-Batterien sind im Allgemeinen nicht für hohe Entladeströme geeignet, bieten aber eine relativ hohe Energiekapazität (mAh) in einer kleinen, flachen Knopfzelle. Der Selbstentladungsstrom kann bis zu 250 nA betragen.
Alkalische AA- oder AAA-Batterien bieten eine höhere Kapazität und vertragen höhere Entladeströme, sind aber deutlich größer. Nicht wiederaufladbare Lithium-Primärbatterien sind ebenfalls in AA- oder AAA-Größen erhältlich und bieten eine vergleichbare Energiekapazität bei höheren Entladeströmen. Zudem sind Lithiumbatterien bis zu 30 % leichter als vergleichbare Alkalibatterien.
Knopfzellen oder AA/AAA-Batterien werden üblicherweise in Geräten verwendet, bei denen die Batterie nach der Entladung vom Benutzer ausgetauscht wird. Manche Geräte, wie z. B. fest installierte, wartungsfreie Haushaltsgeräte, können nach der Entladung der Batterie entsorgt werden. Batterien mit geringer Selbstentladung, wie z. B. Lithiumbatterien, werden bevorzugt für langlebige oder wartungsfreie Anwendungen eingesetzt, insbesondere in Notfallgeräten wie Rauchmeldern.
Wiederaufladbare Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) der Größen AA oder AAA bieten eine mit Alkalibatterien vergleichbare Kapazität (mAh) und eignen sich für Anwendungen mit hoher Entladung. Sie überstehen Hunderte von Ladezyklen, weisen jedoch eine relativ hohe Selbstentladungsrate auf und können daher nicht über längere Zeiträume ohne Wartung oder Aufladen betrieben werden. Tabelle I fasst die Vorteile gängiger Lithium-, Alkali- und NiMH-Akkus zusammen.
In Anwendungen, die besonders kleine oder dünne Abmessungen erfordern und bei denen die Marktgröße dies zulässt, kann ein kundenspezifisch entwickelter Lithium-Ionen-Akku eine hohe Energiedichte mit hoher Entladekapazität und geringer Selbstentladung bieten.
Stromversorgung:
Bei Verwendung einer Lithiumbatterie wie z. B. einer CR2032 sollte der Mikrocontroller der Anwendung im Leerlauf generell mit weniger als 1 µA betrieben werden, um die Batterielebensdauer zu maximieren. Niederspannungsgeräte wie eingebettete Mikrocontroller können mit einer CR2032 betrieben werden, wenn die Batteriespannung von 3,0 V auf 2,5 V sinkt. Dadurch wird die geringe Energiekapazität der Batterie jedoch nicht vollständig genutzt. Ein Aufwärtswandler kann einen größeren Anteil der Batterieenergie nutzen und die Spannung erhöhen, um die Versorgungsspannung des integrierten Schaltkreises auch bei sinkender Batteriespannung über dem erforderlichen Niveau zu halten.
Ein Beispiel für ein solches Bauteil ist der synchrone Aufwärtswandler MCP1624 von Microchip. Er erzeugt die benötigte Versorgungsspannung für jeden Microchip PIC-Mikrocontroller aus einer Batteriespannung zwischen 0,65 V und 1,8 V. Dadurch kann jeder PIC-Mikrocontroller mit einer einzelnen 1,5-V-Batterie betrieben werden. Der MCP1624 erhöht die Batteriespannung auf 2,0 V bis 5,5 V, um den Mikrocontroller zu betreiben. Eine Anfangsspannung von 0,65 V ist erforderlich, der Regler kann den Betrieb jedoch auch dann aufrechterhalten, wenn die Batteriespannung auf 0,35 V absinkt. Der MCP1624 verfügt über einen Abschaltmodus, in dem der Stromverbrauch auf unter 19 µA reduziert wird. Dies trägt dazu bei, die Batterie zu entlasten, wenn sich die Anwendung im Leerlauf oder Standby-Modus befindet.
Energiemanagement:
Wenn die Batterie die maximale Stromaufnahme der Anwendung abdeckt, können Entwickler durch effizientes Energiemanagement und die sorgfältige Auswahl stromsparender Komponenten, wie beispielsweise des Hauptmikrocontrollers, die angestrebte Betriebsdauer mit einer möglichst kleinen Batterie erreichen. Die Batterielebensdauer hängt vom durchschnittlichen Stromverbrauch über den gesamten Betriebszeitraum ab. Bei Hauptkomponenten wie dem Systemmikrocontroller setzt sich der durchschnittliche Stromverbrauch aus dem Verbrauch im Energiesparmodus und im Leerlauf zusammen. Daher hat die Verweildauer in den einzelnen Modi einen erheblichen Einfluss auf die Batterielebensdauer. Entwickler sollten daher neben der Auswahl von Komponenten mit niedrigem Stromverbrauch im Leerlauf und Standby-Modus auch die Energiesparmodi der Geräte optimal nutzen.
Mehrere Hersteller entwickeln Mikrocontroller, die batteriebetrieben effizient arbeiten. Diese zeichnen sich nicht nur durch einen extrem niedrigen Stromverbrauch im aktiven und Standby-Modus aus, sondern bieten oft zusätzliche Standby-Modi, in denen nur bestimmte Funktionen aktiv bleiben. Der Mikrocontroller kann aus diesen Modi schneller wieder in Betrieb gehen als aus dem vollständigen Standby-Modus, was während des Betriebs weitere Energiesparmöglichkeiten bietet. Zu den weiteren Energiesparfunktionen gehören beispielsweise individuell steuerbare Peripheriegeräte, die es ermöglichen, bestimmte Schaltungen bei Nichtgebrauch abzuschalten.
Fazit:
Der Wunsch, mit weniger Aufwand mehr zu erreichen, ist tief in der menschlichen Natur verwurzelt, wie die stetig steigenden Marktanforderungen an Elektronikprodukte belegen. Obwohl die Leistung von Batterien aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung naturgemäß begrenzt ist, ermöglichen sorgfältige Konstruktion und innovative Funktionen in integrierten Energiemanagementschaltungen weitere Verbesserungen.
Autor:
Jo Brook, Produktmanagerin, Farnell.
