Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Low-Power MCU mit DC/DC Regler


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von Lukas B (Gast)


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Hallo zusammen,

Ich habe aufgrund meiner aktuellen Ausbildung bei meherern Projekten mit 
Elektronik und Mikrocontrollern zu tun. Nun beschäftigt mich eine Frage 
seit längerem. Ich möchte diese nun hier stellen da hier sicher viele 
User ein grosses Wissensspektrum von Mikrocontrollern haben.


Es geht um folgendes:

Immer öfters werben Mikrocontrollerhersteller mit "Ultra Low Power". ST 
bewirbt z.b. den STML151 mit "300nA Standby Current".

Wie ich feststellen musste, wird bei nahezu allen Geräten welche mit 
einer Batterie/Akku betrieben werden, heutzutage ein DC/DC Wandler 
verwendet um die Betriebsspannung für die Bauteile zu erzeugen. Nun tut 
sich mir ein Paradox auf. Denn die meisten DC/DC Wandler haben im 
Betrieb mit wenig last eine extrem schlechte effizienz (<70%). Zudem 
haben diese Wandler einen sogenannten "Leerlaufstrom" IQ, welcher oft 
zwischen 10uA und 50uA liegt, der Wandler selbst braucht diese Energie, 
selbst wenn er keinen Strom abgeben muss.

Somit ergibt sich dass eine Schaltung ab Batterie mit DC/DC Wandler 
vermutlich einige uA braucht (unabhängig von MCU).  Ob bei z.b. 10uA 
Betriebsstrom der MCU nun 1uA oder 300nA verbraucht, wirkt sich ja nicht 
gravierend auf die Batterielebensdauer aus.

Somit frage ich mich aktuell wo die Motivation bzw. das 
Notwendigkeitsargument solch sparsamer MCU's liegt?

Das einzige wo es aus meiner sicht sinn macht, ist wenn der MCU direkt 
ab einer Batterie versorgt werden soll (z.b. für eine Fernbedienung oder 
Ähnlich). Ob da aber ein MCU mit über 50GPIO Sinn macht, ist hier die 
Frage.

Vielleicht könnt ihr mir ja weiter helfen.

von foobar (Gast)


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Dieses "ultra low power" ist ein Feature, das bei dem direkten 
Batteriebetrieb ohne DC/DC-Wandler wichtig, z.B. mit CR2032. Das hindert 
die Leute natürlich nicht, das "ultra low power" zu ignorieren und die 
auch für andere Sachen zu benutzen.

Interessant find ich Teile wie den ATtiny43u mit eingebautem 
DC/DC-Wandler für den "ultra low voltage" Betrieb ab 0.7V, also z.B. mit 
einer AAA-Zelle.

von Rufus Τ. F. (rufus) (Moderator) Benutzerseite


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Eine andere Anwendung für ultra-low-power-Controller ist der Bereich des 
"energy harvesting", d.h. die Versorgung mit aus der Umgebung gewonnener 
Energie (Wärme, Licht oder RF), um batterielose Sensoren o.ä. 
konstruieren zu können. Für die (energieintensive) Datenübertragung kann 
Energie z.B. in einem Pufferkondensator gesammelt werden, und die 
Datenübertragung geschieht nur gelegentlich. Z.B. bei Temperatursensoren 
ist eine Übertragung häufiger als alle paar Minuten recht überflüssig.

von Jim M. (turboj)


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Lukas B schrieb:
> Ob da aber ein MCU mit über 50GPIO Sinn macht, ist hier die
> Frage.

Hier fehlt Dir eindeutig etwas Phantasie. Mit vielen IOs kann man z.B. 
nur den jeweils benötigten Teil der Schaltung mit Strom versorgen und 
anderes per High-Side FET abklemmen.

Der neueste Schrei sind übrigens µC mit integriertem DCDC Schaltregler, 
wo man außen nur noch 'ne winzige SMD Induktivität (und ein paar 
Kondensatoren) beschalten muss. Spart bei 3,3V Versorgung mal eben 50% 
Power, da die moderneren µC Kerne nur noch um 1.2V brauchen.

Grade beim "Internet of Things" will man ja nicht andauernd die 
Batterien wechseln...

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Lukas B schrieb:
> Immer öfters werben Mikrocontrollerhersteller mit "Ultra Low Power". ST
> bewirbt z.b. den STML151 mit "300nA Standby Current".
>
> Wie ich feststellen musste, wird bei nahezu allen Geräten welche mit
> einer Batterie/Akku betrieben werden, heutzutage ein DC/DC Wandler
> verwendet um die Betriebsspannung für die Bauteile zu erzeugen

Genau an dieser Stelle liegt dein Denk(Beobachtungs?)fehler.

> Somit ergibt sich dass eine Schaltung ab Batterie mit DC/DC Wandler
> vermutlich einige uA braucht (unabhängig von MCU).
> Somit frage ich mich aktuell wo die Motivation bzw. das
> Notwendigkeitsargument solch sparsamer MCU's liegt?

Wenn man eine extrem energiesparsame Schaltung aufbauen will, z.B. weil 
sie an einem unzugänglichen Ort ist oder man die Batterien aus einem 
anderen Grund nicht wechseln kann, dann wird man tunlichst auf einen 
dauerlaufenden DC/DC-Wandler verzichten. Entweder versorgt man die 
gesamte Schaltung direkt aus der Batterie oder man schaltet den 
Spannungswandler in den Ruhephasen aus. Dann muß nur noch der µC direkt 
mit der Batteriespannung auskommen.

Sehr praktisch sind hier Stepup-Wandler mit Power-through. Abgeschaltet 
leiten sie einfach die Eingangsspannung durch.

von Christopher J. (christopher_j23)


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Lukas B schrieb:
> Zudem
> haben diese Wandler einen sogenannten "Leerlaufstrom" IQ, welcher oft
> zwischen 10uA und 50uA liegt, der Wandler selbst braucht diese Energie,
> selbst wenn er keinen Strom abgeben muss.

Dann muss man eben einen nehmen, der einen niedrigen quiescent current 
hat, z.B. TPS62740 von TI, der liegt bei 300nA.

Jim M. schrieb:
> Der neueste Schrei sind übrigens µC mit integriertem DCDC Schaltregler,
> wo man außen nur noch 'ne winzige SMD Induktivität (und ein paar
> Kondensatoren) beschalten muss. Spart bei 3,3V Versorgung mal eben 50%
> Power, da die moderneren µC Kerne nur noch um 1.2V brauchen.

Sicher die eleganteste Variante. Gibt es z.B. mit NRF52840 von Nordic 
oder DA14580 von Dialog.

von Jürgen W. (Firma: MED-EL GmbH) (wissenwasserj)


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Diese ICs haben idR eine Kombination aus Linearregler und Schaltregler; 
dazu muß man wissen, daß die meisten MCU bei 2V schon mit voller 
Leistung (also einige zig MHz) arbeiten können. Wenn man mit der 
Spannung weit genug runtergehen kann, daß sich der Schaltregler-Wkg. 
mehr als kompensiert, macht es Sinn:

Also z.B. CR2032 mit typ 2,7V*85%>=2,3V.
Oder bei einer kleinen LiPo-Zelle (da muß idR ohnehin runtergeregelt 
werden) von 3,7-3,8V auf 2V => bei eff. z.B. 10mA Strom = 20mW werden 
daraus primärseitig 20mW/85%=24mW statt 3,7V*10mA=37mW - 50% mehr 
Laufzeit.

*) Bei Kleinstleistung, also z.B. in einem Schlafmodus mit einigen µA 
ist nur der Linearregler aktiv (falls überhaupt).
*) Bei Leistungsanforderung wird der Step-Down-Regler aktiviert (das 
kann idR der Nutzer einstellen) und arbeitet im PFM-Modus.

Externe Step-Down-Regler für solche Anwendungen sind z.B. ADP5301 oder 
TPS62740, TPS62746. Die schaffen Wirkungsgrade >90% bei nur 10uA 
Laststrom.

von batman (Gast)


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Lukas B schrieb:
> Das einzige wo es aus meiner sicht sinn macht, ist wenn der MCU direkt
> ab einer Batterie versorgt werden soll (z.b. für eine Fernbedienung oder
> Ähnlich). Ob da aber ein MCU mit über 50GPIO Sinn macht, ist hier die
> Frage.

Es geht da gar nicht um die Anzahl Ports, sondern um die Technik. 50 
Ports müssen ja nicht unbedingt viel mehr Ruhestrom ziehen als 5.

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