Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Stromverbrauchoptiomierung


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von David P. (devryd)


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Hallo zusammen,
mein Vater geht in 5 Jahren in Rente und hatte mich gefragt, ob ich ihm 
ein Gerät bauen kann, welches die verbleibenden Tage runterzählt. Als 
Idee hatte ich dann vor ein eInk Display zu nehmen, welches die Daten 
von einem Attiny1616 bekommt. Das ganze habe ich dann in einen 
Schaltplan gepackt und daraus eine Platine designt. Das ganze 
funktioniert auch (zumindest laut ersten Tests) sehr gut. Ich hatte das 
Layout ursprünglich auf Reddit hoch geladen, damit eventuelle Fehler im 
Layout möglichst vor dem Bestellen auffallen.
Ein User sprach da von extrem ineffizientem Design (LDO an Lithium 
Akku).

Da das ganze System im Durchschnitt jetzt 3.2uA zieht, kann man das 
"extrem ineffizient" denke ich ignorieren, allerdings kommt natürlich 
die Frage auf: Wie geht es noch niedriger? Ich habe mal den Schaltplan 
als Bild angehängt, falls das hilft. Das Display ist dieses: 
https://www.waveshare.com/1.54inch-e-paper-module.htm
Auf der Platine ist auch ein DCF77 Modul um die Uhrzeit periodisch zu 
aktualisieren (1x pro Woche).

Wie würdet ihr vorgehen, um den Stromverbrauch zu senken? Mit dem 
gleichen Controller ist denke ich nicht signifikant weniger drin, oder 
sehe ich das falsch? Es geht mir hier nicht darum, die aktuelle Platine 
signifikant zu verbessern, ich möchte eher für zukünftige Projekte 
wissen, worauf ich hier achten sollte. Danke schonmal für Eure 
Vorschläge

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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David P. schrieb:
> Ein User sprach da von extrem ineffizientem Design (LDO an Lithium
> Akku).

Der MC selber kann auch ohne Regler direkt von einer LiIon/LiPo Zelle 
getrieben werden, weil er im gesamten Bereich der Zelle funktioniert. 
Display und DCF Modul müssten daraufhin abgeklopft werden.
Den MC könnte man mit dem 32kHz Takt takten und ihn so sehr stromsparend 
gestalten. Das Programm würde natürlich langsam abgearbeitet werden, ist 
hier aber nicht wichtig. Zwischendurch kann er ja auch schlafen.

: Bearbeitet durch User
von Harald W. (wilhelms)


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David P. schrieb:

> mein Vater geht in 5 Jahren in Rente und hatte mich gefragt, ob ich ihm
> ein Gerät bauen kann, welches die verbleibenden Tage runterzählt.

Als ein solches "Gerät" haben wir während der Bundeswehrzeit ein 
einfaches
Maßband benutzt, bei dem man jeden Tag einen cm abgeschitten hat. :-)

von David P. (devryd)


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Matthias S. schrieb:
> Display und DCF Modul müssten daraufhin abgeklopft werden.

Wird zumindest laut Datenblatt nicht unterstützt. Kann natürlich 
trotzdem funktionieren, aber wie lange sowas dann gut geht, ist immer 
die Frage.

Matthias S. schrieb:
> Den MC könnte man mit dem 32kHz Takt takten und ihn so sehr stromsparend
> gestalten. Das Programm würde natürlich langsam abgearbeitet werden, ist
> hier aber nicht wichtig. Zwischendurch kann er ja auch schlafen.

Der MC schläft den ganzen Tag außer 5 Sekunden lang, in denen er das 
Display aktualisiert. Hier wird er auch hochgetaktet (10MHz), da die 
Übertragrung des Displaypuffers (5k) sonst lange dauert und mehr Strom 
braucht, da das Display länger mit Strom versorgt sein muss.

Während der MC schläft sind sowohl Display als auch DCF Modul nicht mit 
Strom versorgt.

von David P. (devryd)


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Harald W. schrieb:
> Als ein solches "Gerät" haben wir während der Bundeswehrzeit ein
> einfaches
> Maßband benutzt, bei dem man jeden Tag einen cm abgeschitten hat. :-)

Bei 1883 verbleibenden Tagen ist das aber ein langes Maßband.

von David P. (devryd)


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https://github.com/devryd/RetirementCounter

Hier mal das Github Repo, falls es sich jemand genauer anschauen möchte. 
Es geht aber, wie gesagt, nicht primär darum, diese Schaltung zu 
verbessern, sondern eher darum, was man von Anfang an hätte anders 
machen können.

von Michael B. (laberkopp)


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Harald W. schrieb:
> Als ein solches "Gerät" haben wir während der Bundeswehrzeit ein
> einfaches
> Maßband benutzt, bei dem man jeden Tag einen cm abgeschitten hat. :-)

Z5 ? 18 Meter Massband ? Ist doch scheissegal obs passt, Hauptsache 
irgendwas abgelassen.

David P. schrieb:
> Ein User sprach da von extrem ineffizientem Design (LDO an Lithium
> Akku).

Der User hat halt nicht geguckt, was ein MCP1640 benötigt. 19uA. Das 
geht besser, ist aber auch eine Beschaffungsfrage: 
Niedrigstleistungs-Linear-Spannungsregler (mit oft sehr schlechten PSRR 
ab 100Hz): MCP1810 (150mA 1.2-4.2V bis 5.5V 20nA Iq 1nA shutdown) 
MCP1710 (200mA 1.2-4.2V bis 5.5V 20nA Iq 0.1nA shutdown) TPS7A02 (200mA 
25nA 0.8-5V bis 6V SOT23-5) TPS7A03 (200mA 200nA 0.8-5V bis 6V SOT23-5) 
STLQ020 (2-5.5V 200mA 300nA Iq) HE9073 (7V 100mA 300nA high speed low 
noise LDO DFN4/SOT23/SOT23-5/SOT89) NCP170 (2.2-5.5V 150mA 1.2-3.6V 
0.5uA Iq TSOP5) AIC2140 (2.2-5.5V 300mA 600nA Iq) XC6504 (150mA 600nA 
1.1-5V aus bis zu 6V capacitorless SOT25) XD6506 (150mA 800nA 1.2-5V aus 
6V SOT23-5) EC8841 (2.5-18V 50mA 1uA Iq) LN1121 (1.2-6V aus 6V 250mA 1uA 
Iq) MC78FC00 (2-10V 120mA 1uA SOT89) TP162 (600mA 2uA 1.2-3.3V 
TechPublic SOT23-5) LR8341 (Lori 40V 100mA 2uA SOT23-3L/SOT89) TP362 
(200mA 1.2-5V aus 36V 2uA TechPublic SOT23-5) TP552 (200mA 1.2-12V aus 
50V 2uA TechPublic SOT23-5) LT3009 (1.6-20V 20mA 3uA Iq SC70) STLQ015 
(2-5.5V 150mA 1uA) AIC1701/AIC1702 (150mA/350mA 0.8-5V 3uA Iq bis 
6/6.8V) AIC1701B (150mA 1.8/2.8/3.3V 1uA Iq bis 5.5V SOT23-5 DFN4) 
WL2825D (150mA 2.8/3V 0.6uA Iq bis 5.5V DFN4) MCP1700 (1.6uA aber 7uA 
bei 8uA Last, nur bis 6V) MCP1702-33 -50 (2uA Reichelt bis 13.2V) 
MIC5231 (10mA 0.12V 0.65uA Micrel) TPS780/781/782/783 (150mA 0.2V 0.5uA 
TI, bis 5.5V) RT9063 (2.5-6V 1.2-3.3V 250mA 1uA Iq) HT71xx (30mA 2.5uA 
Holtek, bis 24V) HT71xx-1 (10mA 2.5uA Holtek, bis 30V) HT71xx-3 (30mA 
1.5uA Holtek SOT23-5 bis 30V) HT75xx (4uA bis 24V 100mA) NCP551 (150mA 
bis 12V, 4uA OnSemi, kein erhöhter drop out Strom, bis 12V) AAT3220/1/2 
(1.1uA AnalogicTech SOT23-5/SOT89 150mA 0.2V) S817 (50mA 1.1-6V 1.2uA 
Seiko, bis 6V) MST56XXB (150mA 60V 2uA) MST53XXB (200mA 1.8-5V 1.6uA bis 
35V) EC85xx (200mA 1.8-5V 2.6uA bis 35V) XC6206/XC6411/XC6412 (200mA 6V 
1.2-5V 0.25V-1V 1-3uA) GS7159 (2uA/2.3-5.5V/150mA) LR1101 (100mA 1.2-5V 
aus 6V, 4uA) LR1012 (50mA 2.5uA bis 16V) AP7381 (2.8/3.3/5/7V fixed, 
3.3-40V 150mA 2.5uA) MCP1702/1703 (2uA/250mA/16V Microchip Reichelt) 
GS7118 (50mA, 4uA/3.8-24V) RT9072 (Richtek, 1.25-60V, 20mA 80V 23uA Iq 
3uA shutdown) XC6220 (1.6-6V 1.2-5V 1A SOT25, bis 70uA Iq in drop out 
ca. 1 Ohm) XC6210 (2-28V 5uA 150mA) NCP786L (55-450V 10uA 5mA 1.27-15V) 
LM2936 (3/3.3/5V 50mA aus 40V (60V HV) in TO92 Iq 15uA) MIC5280 (25mA 
4.5-120V 31uA 1.2-5V))

E-Ink ist schon mal gut, abschaltbarer DCF auch.

Da beide wohl bei 4.2V platzen, ist es ok auch den uC aus dem 
Spannungsregler zu versorgen.

von Rainer W. (rawi)


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David P. schrieb:
> Bei 1883 verbleibenden Tagen ist das aber ein langes Maßband.

20m würden sogar fast noch ein halbes Jahr länger reichen.

https://www.bauhaus.info/massbaender/bauhaus-kapselmassband/p/22152279

Was muss das für ein Job sein, wo man schon fünf Jahre vor Ende anfängt, 
(ungeduldig) die Tage zu zählt?

: Bearbeitet durch User
von R. L. (roland123)


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Rainer W. schrieb:
> Was muss das für ein Job sein, wo man schon fünf Jahre vor Ende anfängt,
> (ungeduldig) die Tage zu zählt?

Tellerwäscher in der Gefängnisküche

von David P. (devryd)


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Rainer W. schrieb:
> Was muss das für ein Job sein, wo man schon fünf Jahre vor Ende anfängt,
> (ungeduldig) die Tage zu zählt?

Ich glaube das hat hier weniger mit Ungeduld zu tun und mehr damit, dass 
mein Vater nicht weiß, wie lange es dauert, einen solchen Tageszähler zu 
bauen und auch nicht, wann ich Zeit dafür habe. Ich vermute er wollte es 
nur frühzeitig ankündigen.

Für 10 verbleibende Tage ein solches Gerät zu bauen, ist ja auch nicht 
wirklich sinnvoll.

von Gerd E. (robberknight)


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David P. schrieb:
> Da das ganze System im Durchschnitt jetzt 3.2uA zieht, kann man das
> "extrem ineffizient" denke ich ignorieren, allerdings kommt natürlich
> die Frage auf: Wie geht es noch niedriger?

Vorschlag:

Du nimmst einen Spannungsregler mit Enable-Eingang und machst da eine 
Selbsthaltungs-Schaltung dran. So dass der Controller seine 
Stromversorgung selbst an- und abschalten kann. Damit verbraucht der 
dann während der meisten Zeit nur noch minimale Leckströme.

Das eigentliche Zeit-Zählen und Aufwecken überlässt Du einem 
spezialisiertem RTC-Modul mit Countdown- und Interrupt-Funktion. Z.B. 
RV-8803-C7 scheint mir geeignet:
https://www.microcrystal.com/en/products/real-time-clock-rtc-modules/rv-8803-c7

Vorteil: Das Ding läuft von 1.5 bis 5.5 V, kann also direkt an die 
Batterie. Und es braucht nur 240 nA. Den Interrupt-Ausgang des 
RTC-Moduls hängst Du dann an den Enable-Eingang des Spannungsreglers um 
damit dann den Mikrocontroller einzuschalten.

von ArnoNym (bergler)


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David P. schrieb:
> Da das ganze System im Durchschnitt jetzt 3.2uA zieht, kann man das
> "extrem ineffizient" denke ich ignorieren, allerdings kommt natürlich
> die Frage auf: Wie geht es noch niedriger?

Überleg mal folgendes:
3,2µA entsprechen 28mAh - pro Jahr. Für Akkus bringt weniger kaum noch 
etwas, weil die Selbstentladung schon mehr ausmacht als die Schaltung.

Dine Optimierung wäre am ehesten dann sinnvoll, wenn du Knopfzellen oder 
LiSOCl2-Batterien und 10 oder 20 Jahre Laufzeit haben willst (LiSOCl2 
haben 1% pro Jahr Selbstentladung).

Was Verbesserung angeht:
2,7V Systemspannung (falls dein Display damit klarkommt). Mit 3,3V 
bekommst du die Zelle nur auf irgendwas 3,5V geleert und verzichtest auf 
einen guten Teil der Ladung.

Der MCP1702 ist mit seinen 2µA komplett ok, ein Schaltregler wird da 
nichts besser machen. Bessere LDO gibt es, Beispiel:
https://www.ti.com/product/de-de/TPS7A02
0,025µA Eigenverbrauch.

Auch eine RTCC, die den Tiny zuschaltet wäre denkbar, es gibt Chips die 
sich mit weniger als 1µA zufriedengeben.

von Klaus F. (klaus27f)


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David P. schrieb:
> Wie würdet ihr vorgehen, um den Stromverbrauch zu senken?

EINE g'scheite Batterie verwenden.
Ohne Regler natürlich.

https://www.akkushop.de/de/tadiran-sl-2780/s-lithium-batterie-36-volt-19000mah-bauform-d/

von David P. (devryd)


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ArnoNym schrieb:
> 2,7V Systemspannung (falls dein Display damit klarkommt)

Davon hält mich ja nichts akut ab. Ob da noch alles sinnvoll 
funktioniert, weiß ich nicht.

ArnoNym schrieb:
> Bessere LDO gibt es

Das habe ich oben schon gelesen. 20nA sind ja schon echt krass. Mal 
schauen, ob ich zukünftig was anderes nutze.

von Manfred P. (pruckelfred)


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ArnoNym schrieb:
> 3,2µA entsprechen 28mAh - pro Jahr.

Passt.

> Für Akkus bringt weniger kaum noch
> etwas, weil die Selbstentladung schon mehr ausmacht als die Schaltung.

Nicht bei guten LiIon. Ich habe vor Jahren meine Küchenwaage von einer 
CR2032 auf LiIon 650mAh samt MCP1702-3002 umgebaut, hält über drei 
Jahre.

Ich beobachte seit Jahren Li-Akkus und habe mehr als einen, der nach 5 
Jahren noch immer bei 4V-Leerlauf liegt. Die sind nicht vom Ali, sondern 
aus einer bekannten Lieferkette für kommerzielle Geräte.

Mein Türgong mit SAB0600 und 2s-Lipo in der Bauform 9V-Block ist seit 
Herbst 2019 in Betrrieb. Aktuell zeigt er 7,6 Volt, weit ab von leer.

> Dine Optimierung wäre am ehesten dann sinnvoll, wenn du Knopfzellen oder
> LiSOCl2-Batterien und 10 oder 20 Jahre Laufzeit haben willst (LiSOCl2
> haben 1% pro Jahr Selbstentladung).

LiSOCl2 wäre hier eine gute Idee, da sie ihre 3,6 V sehr lange halten 
und relativ zum Volumen sehr viel Kapazität bringen. Eine solche im 
C-Format (Baby) liefert über 7Ah.

> Mit 3,3V
> bekommst du die Zelle nur auf irgendwas 3,5V geleert und verzichtest auf
> einen guten Teil der Ladung.

Bei geringem Strom kommen die MCP1702 unter 150mV drop. Mein 
Spannungslogger mit ATMega328, ADS1115 und SD-Karte schreibt alle 10s 
den Wert auf und läuft mit einer guten 18650 ca. 500 Stunden. Das System 
spielt noch bis 3,0 Volt zuverlässig und bekommt damit den Akku auf 3,3 
Volt herunter. Das Gerät schaltet sich ab, wenn der ADS1115 unter 3,25 V 
meldet.

David P. schrieb:
> ArnoNym schrieb:
>> 2,7V Systemspannung (falls dein Display damit klarkommt)
> Davon hält mich ja nichts akut ab. Ob da noch alles sinnvoll
> funktioniert, weiß ich nicht.

Egal, was die Theorie sagt, viel optimaler als per MCP1702 kann man kaum 
bauen. Es wird nichts oder nur sehr wenig bringen, die 3V3 zu 
unterschreiten.

von Rainer W. (rawi)


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Manfred P. schrieb:
> Egal, was die Theorie sagt, viel optimaler als per MCP1702 kann man kaum
> bauen.

"Optimal" lässt sich nun mal nicht steigern - kein bisschen.
scnr

: Bearbeitet durch User
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