Hallo, wo findet man verlässliche Informationen zum Stromverbrauch von Logik-ICs, insbesondere zum statischen Verbrauch (wenn sich die Eingänge nicht ändern)? Insbesondere die Reihen 74AUP, 74AUP1T, 74LVC, 74LV1T.
Wenn man z.B. ins Datasheet vom SN74AUP1G04 schaut findet man:
Low Static-Power Consumption (Icc = 0.9 μA Max)
Bei 25°C max 0.5 μA, aber kein typischer Wert angegeben. Gleiches gilt für die meisten anderen Logik Gates.
Schaut man z.B. beim SN74AC3G99 soll der Verbrauch bei 25°C jedoch angeblich <25nA sein, obwohl die AC-Reihe weniger auf Verbrauch optimiert ist?
Ich verstehe nicht so ganz warum so simple Logik-ICs im statischen Zustand so viel verbrauchen. Es gibt viel komplexere ICs mit deutlich geringerem Verbrauch bei viel mehr Funktion, z.B. Mikrocontroller mit RTC und RAM-Erhalt für wenige Hundert nA, Accelerometer für <200nA (im Betrieb!), RTC für <100nA, Schaltregler Controller mit <100nA Eigenverbrauch und sogar ein paar BMS-ICs oder Load Switches mit <1nA im Betrieb.
Manchmal braucht man doch etwas Glue Logic, weil es eben nicht für alles ein spezifisches IC gibt... Verbraucht dann der AUP-Inverter mehr als der ganze Rest der Schaltung im Standby?
Mit welchem Skalpell kriege ich das aus dem 74er rausgepult?
Das kannst nur Du machen, weil die Teile nur vor Dir liegen. Die Forumssoftware kann die Chips bei Dir noch nicht auf meinen Tisch beamen. ;)
Es bleibt Dir nur übrig selbst zu messen. Es gab früher so dicke Bücher auf der Messe, wo das für bestimmte Serien sogar mal genauer beschrieben wurde. Die hatten ein Format ähnlich A5 und waren 2 bis 5cm dick. Am letzten Tag bekam man diese auch als Schüler, aber das war mir auch zu viel zum Schleppen. Leider wurde das später nicht als pdf von den Herstellern zur Verfügung gestellt.
Die Strukturgrössen sind auch bei modernen Logikserien um zweistellige Faktoren grösser als bei modernen uC. Leckströme unterliegen grossen Schwankungen, die ebenfalls direkt mit den Strukturgrössen zusammenhängen.
Deren interne Ausgänge, also Transistoren schaffen aber auch nur µA
maximal
Das wäre vollkommen ausreichend. Achja, vergessen zu erwähnen, Schaltfrequenz wäre 1mHz - 10 Hz (ja, kleines "m"). Ausgangsstrom und Schaltgeschwindigkeit ist also völlig egal
Ich hätte sogar ein paar Ideen wie man sowas mit diskreten Transistoren umsetzen kann. Aber wonach muss ich suchen wenn ich einen FET brauche der ab 1V garantiert schaltet, R(dson) < 100kOhm, aber Leckstrom < 10nA hat und klein ist (<1mm², WLCSP o.ä.)? Vielleicht zusätzlich auch BJT die bei 1V und 1µA Basisstrom dann 100µA leiten können, ebenso kleines Gehäuse?
Die Strukturgrössen sind auch bei modernen Logikserien um zweistellige
Faktoren grösser als bei modernen uC.
Das habe ich vermutet. Bloß wie soll man dann so eine Glue Logic umsetzen? Alles nur per Mikrocontroller? Auch nur wirklich möglich wenn der genug WakeUp Pins hat um alle Eingänge überwachen zu können wenn man im niedrigsten Standby ist mit <<1µA Verbrauch.
Das habe ich vermutet. Bloß wie soll man dann so eine Glue Logic
umsetzen? Alles nur per Mikrocontroller? Auch nur wirklich möglich wenn
der genug WakeUp Pins hat um alle Eingänge überwachen zu können wenn man
im niedrigsten Standby ist mit <<1µA Verbrauch.
Wired-Or ist eine Lösung, PLDs / CPLDs eine andere.
Oder nochmal überlegen, ob man wirklich so viele WakeUps braucht.
Viele Sensoren und Energiequellen - viele Wakeups.
Muss denn jeder Sensor einen Wakeup machen können? Reicht es nicht, die einigermaßen regelmäßig abzufragen?
Energiequellen kann man mit (Schottky-)Dioden zusammenfassen.
Ich hätte sogar ein paar Ideen wie man sowas mit diskreten Transistoren
umsetzen kann. Aber wonach muss ich suchen wenn ich einen FET brauche
der ab 1V garantiert schaltet, R(dson) < 100kOhm, aber Leckstrom < 10nA
hat und klein ist
Die laut Datenblatt niedrigsten garantierten Sperrströme haben
NPN hochsperrende Transistoren: BC547 (ONSemi, typ 200pA, max 4uA) 2N1711 FFB2222A (NPN 10nA @ 25GradC) 2N2907A (10nA, 10uA max) BSP125 (100nA/25GradC/5uA max) BSP50/51/52 (Darlington 50nA Nexperia) BSS225 BSP225 MPSA42/PZTA42 (100nA/25GradC/200V) ZTX458 (100nA/320V/25 GradC) PMBTA45 PBHV9050T (max 10uA) (eventuell auch WS4621C 70nA load switch)
PNP hochsperrende Transistoren: ZTX851/ZTX853 (50nA bei 25 GradC, 1uA bei 100 GradC) BSP60/61/62 (Darlington 50nA Nexperia) ZTX558/ZTX758 (100nA/320V/25 GradC) 2SA1359 2SB1705/06/07/08/09/10/13/22/30/31/32/33/34 (100nA bei 25 GradC max) 2SB891 (1uA)
PNP Transistoren mit definiert niedrigem Sperrstrom cutoff current: BC546 (NXP 15nA @ 25 GradC, 5uA @ 150 GradC) BSP125 BSP125 (600V, 100nA @ 25 GradC, 5uA @ 150GradC) PBHV8115T (120V SOT23 100nA @ 25 GradC, 10uA @ 125 GradC, NXP BISS) TPS22860 (5V high side power switch 2nA)
hochsperrende MOSFETs: Ohne Bulkdiode. ALD1107 (400pA max., 4nA bei 125 GradC) SD5000 BSS83 (10nA max.) vs. BS170 (500nA) BSS295 (1uA max., 50uA bei 125 GradC)
wer besser als Datenblatt sein muss kann messen: BJT gehen real von 1pA bis 1nA, JFET von 0.1pA bis 2pA https://x.artofelectronics.net/wp-content/uploads/2019/11/2xp1_actual_BJT_FET_leakage.pdf
eventuell hilft https://www.vishay.com/docs/66597/sip32431.pdf 10 pA, Ultra Low Leakage and Quiescent Current, Load Switch with Reverse Blocking, 1.5-5.5V unter 0.2 Ohm
Reicht es nicht, die einigermaßen regelmäßig abzufragen
Frisst wieder Energie. Außerdem würde ich gern auch den Mikrocontroller zeitweise stromlos schalten und dann per Logic-ICs unter bestimmten Umständen die Spannungsversorgung einschalten.
Alles gleichzeitig optimal ist immer schwierig.
Such' mal ein paar Kompromisse und rechne die durch.
Ich kenne deine Anwendung nicht, aber ich vermute, dass es einfachere Lösungen gibt, die zwar mehr, aber vernachlässigbar mehr Energie verbrauchen.
Den grundsätzlichen Ansatz, Strom zu sparen, koste es was es wolle, finde ich natürlich nachvollziehbar und sympathisch.
Aber wenn eine CR2032 mit einem CD4060 (der deutlich komplexer als ein
Logikgatter ist) 10 Jahre hält, was will man mehr?
Entspricht also einem Verbrauch von 2.6uA, also ca 100× das was manch anderer IC kann. Die CR2032 hat schon deutlich mehr Kapazität als für viele Anwendungen zur Verfügung steht. Und es werden ja mehrere Gatter gebraucht sowie zusätzlich noch Mikrocontroller + Sensoren. Wäre absurd wenn ein CD4060 o.ä. den größeren Verbrauch hätte als Mikrocontroller (im Standby) oder RTC.
Wäre absurd wenn ein CD4060 o.ä. den größeren Verbrauch
hätte als Mikrocontroller (im Standby) oder RTC.
So absurd finde ich das nicht, denn die CD40xx wurden vor mehr als 50 Jahren eingeführt. Vermutlich sind sie zwischenzeitlich besser geworden, aber beruhen dennoch auf uralter Technik.
... Vermutlich sind sie zwischenzeitlich besser geworden,
aber beruhen dennoch auf uralter Technik.
Mit jedem Shrink steigt der Ruhestrom.
Klassisches Beispiel ist der Pentibumm. :)
Vermutlich sind die aeltesten 4000er die sparsamsten welchen.
Fuer die 74HC sieht es also eher schlecht aus.
<short>
Doch: da steht das drin, wass die Hersteller *verlässlich* garantieren. Was da nicht drinsteht, ist auch nicht verlässlich.
</>
Langfassung: Die "typical values" gehören nicht zu verlässlich, sondern zu "informativ". Die hängen mit etwas Pech auch von der jeweiligen Maskenversion oder sogar Produktionscharge ab und sie werden eben nicht verlässlich garantiert.
Wie auch? "typ." sagt über den konkreten Wert eines einzelnen Exemplars überhaupt nichts aus, sondern höchstens über den Mittelwert oder Median ("Erwartungswert") einer bestimmten Charge.
Zur Überprüfung der Einhaltung eines "typical" Wertes müsstest Du bezüglich einer Losgröße definieren, in welchem Bereich die einzelnen Messwerte sich befinden dürfen.
Et voila: wir landen bei { Mittelwert +/- n*Standardabweichung }, vulgo "min" und "max".
Wenn du auf "typ." baust, musst Du also vor der Bestückung die Exemplare einzeln durchmessen und die Abweichler wegsortieren. Und hoffen, dass wegen des "typ"-Wertes genügend "gute" Exemplare in Deinem Los drin. Und auch in späteren Losen.
Sowas macht die Klientel, an die sich diese Datenblätter richtet, eher ... sehr ungern.
Wenn du auf "typ." baust, musst Du also vor der Bestückung die Exemplare
einzeln durchmessen und die Abweichler wegsortieren.
Gar nicht so abwegig. Aber um an diesen Punkt zu kommen braucht man vorher halt ein Konzept bei dem es mit den Typical Werten hinhaut. Bei anderen Bauteilen gibt es lange Tabellen und Diagramme von min-max Verbrauchswerten bei unterschiedlichen Spannungen und Temperaturen... Aber bei "Ultra-Low-Power" Logik-ICs nicht.
Liegt hier schon auf dem Schreibtisch. Ich brauche aber einen ganz spezifischen Controller, der aber schon extrem sparsam ist. Wie gesagt möchte ich den Controller und dessen Spannungsregler aber abschalten können und dann mit ein bisschen Glue Logik bei Bedarf einschalten. Es gibt ein paar ICs deren Funktion nahe dran ist mit extrem geringem Verbrauch, aber nicht ganz die richtige Funktion. Daher eben diskrete Logik, aber das geht wohl nicht. Hab sogar schon überlegt einen STM32U0 daneben zu schnallen, der hat immerhin 5 Wake-Ups, aber die handlichen WLCSP-Versionen sind noch nicht in Produktion und mehr Controller mit mehr Software machts auch nicht unbedingt besser. Zu allem Unglück kommen noch unterschiedliche und veränderliche Spannungslevels hinzu, man braucht also noch Level Translation, wie eben AUP1T. Können Mikrocontroller auch nur teilweise.
Absurd ist es wenn die blöde Glue Logik mehr verbraucht als der ganze Rest. So wie zuhause die ultraeffiziente Heizung und Solarenergie nutzen aber dann nix isolieren und Glühlampen nutzen, weil ging ja früher auch.
Et voila: wir landen bei { Mittelwert +/- n*Standardabweichung }, vulgo
"min" und "max".
Falsch - Statistik scheint nicht so dein Ding zu sein.
Im Bereich { Mittelwert +/- n*Standardabweichung } liegt nur ein bestimmter prozentualer Anteil der Exemplare. "min" und "max" sind dagegen garantierte Grenzwerte, die von keinem Exemplar unter- bzw. überschritten werden dürften.
Et voila: wir landen bei { Mittelwert +/- n*Standardabweichung }, vulgo
"min" und "max".
Falsch - Statistik scheint nicht so dein Ding zu sein.
Im Bereich { Mittelwert +/- n*Standardabweichung } liegt nur ein
bestimmter prozentualer Anteil der Exemplare. "min" und "max" sind
dagegen garantierte Grenzwerte, die von keinem Exemplar unter- bzw.
überschritten werden dürften.
Das aber auch nur, weil der Hersteller die Exemplare unter "min" und
ueber "max" aussortiert. Folgt das ganze einer Gaussverteilung, kann
man die restlichen "Prozente" mit dem Gaussschen Fehlerintegral
berechnen.
Und so aufwendig ist nachmessen ja nun auch nicht.
Alle möglichen ICs kaufen, warten, einbauen, Messreihe für den
Temperaturbereich über viele Exemplare machen dauert schon.
Für die Neuentwicklung des Marsrovers wird sich der Aufwand des Messens schon lohnen, weil dort niemand die Batterien auswechselt und zudem ein weiter Temperaturbereich durchlaufen wird.
Bei hohen Anforderungen erhöht sich der Konstruktionsaufwand.
Wenn du auf "typ." baust, musst Du also vor der Bestückung die Exemplare
einzeln durchmessen und die Abweichler wegsortieren.
Gar nicht so abwegig.
Im industriellen Umfeld ist das typischerweise :-) um viele Größenordnungen zu teuer, weil Du dann automatische Bestückung vergessen kannst. Und ja, mir ist sowas auch schon begegnet, aber es ist ein logistischer und kalkulatorischer Alptraum und es ist absolut exotisch.
Fast alle. Alle Datenblätter die von den Herstellern herausgegeben werden, richten sich vornehmlich an deren potentielle Kunden. Vornehmlich an solche, von denen man hofft, dass sie signifikant zum Gewinn des Herstellers beitragen. Und eben die brauchen verlässliche Angaben für große Serien und haben gar keine Verwendung für "typical".
Alles, was darüber hinausgeht, ist goodwill des Herstellers oder Werbung, um dem Kunden (oder deren Entwicklern) das Produkt schmackhaft zu machen oder einen guten Eindruck zu hinterlassen.
[...] liegt nur ein bestimmter prozentualer Anteil [...]
Korrekt, und wir setzen auch eine Normalverteilung voraus. Aber bereits für z.B. n=6 (oder noch mehr) umfasst der prozentuale Anteil schon mehr als 99.999999??? Prozent [Wikipedia, Normalverteilung] und jede Erhöhung um 1\sigma kommen mehere Nachkommastellen dazu, so dass der Erwartungswert der Ausreißeranzahl bei realistischen Losgrößen sehr deutlich weniger als 1 Exemplar ist.
Faktisch also ein brauchbares Min-Max Intervall bei dem die Wahrscheinlichkeit eines einzigen Ausreißers bei Losgrößen im Millionenbereich eben extrem gering ist.
"min" und "max" sind dagegen garantierte Grenzwerte, die von keinem
Exemplar unter- bzw. überschritten werden dürften
Natürlich nicht mit der Wahrscheinlichkeit von exakt Null. Das wäre physikalischer Unfug.
Das wissen auch die Hersteller und vereinbaren deshalb Akzeptanzkriterien der Form "Die Charge darf zurückgewiesen werden, wenn bei einer Stichprobe der Größe $m$ mehr als $k$ Exemlare die Kriterien nicht erfüllen".
Die Kunst ist eben, durch die Wahl eines hinreichend großen $n$ die Fehlerwahrscheinlichkeit so gering zu halten, dass jeder Beteiligte mit dem Überschreitungsrisiko gut leben kann und gleichzeitig die Ausbeute noch hoch genug ist.
Und wenn es darauf ankommt, selektiert man Herstellerseitig eben vor. Aber auch dabei kann die Selektion sich mit (sehr geringer) Wahrscheinlichkeit irren.
Ergo: Auch die min- und max-Werte werden von einem konkreten Exemplar nicht mit /exakt/ 100%-Wahrscheinlichkeit eingehalten, sondern "nur" mit sehr sehr hoher Wahrscheinlichkeit.
Je nach Sicherheitsbedürfnis reicht das auch für die meisten Einsatzgebiete der 74'er-Logik.
Nein, da unterscheidet sich unser Selbstverständnis.
Wenn du zwei ICs hast, einer mit typ. 10nA, einer mit typ 1µA, welchen nimmst du? Sorgt die Bauteilstreuung dafür dass der mit typ 1µA meistens doch eher 10nA hat und der andere eher 1µA?
Die "max"-Werte sind ja meist um Größenordnungen höher als die "typ" Werte, und gelten dann nur für 125°C und maximale Versorgungsspannung. Verwendet man trotzdem den "max" Wert auch wenn das Produkt im Kühlschrank eingesetzt wird? Aber gut, nach der Rechnung sind alle Logik-ICs viel zu schlecht im Verbrauch. Da kann ich ja 5 Mikrocontroller einbauen die das alles in Software machen. Oder vielleicht lässt sich ein TPS7A02 als Logik-Gate missbrauchen, der hat garantiert max Verbrauch <60nA, und enthält immerhin eine vollwertige Regelung, Komparatoren usw.
Beim "Advanced Ultra-Low Power" IC heißt es 0.9µA, bei "Advanced CMOS"
jedoch <50nA. Hä?
0.9 µA ist das Maximum für AUP. Das AC-Datenblatt hat typische Werte in Bild 5-3; das Maximum ist 2 µA.
Es ist leider nicht üblich, typische Werte für I_CC anzugeben; der SN74AC3G99 ist sehr neu und eine Ausnahme. Für die meisten Logik-Chips musst du halt selber messen.
Beim "Advanced Ultra-Low Power" IC heißt es 0.9µA, bei "Advanced CMOS"
jedoch <50nA. Hä?
0.9 µA ist das Maximum für AUP. Das AC-Datenblatt hat typische Werte in
Bild 5-3; das Maximum ist 2 µA.
Ja. Der Vergleich 0.9µA mit 50nA ist ein Vergleich Äpfel mit Birnen.
Es ist leider nicht üblich, typische Werte für I_CC anzugeben; der
SN74AC3G99 ist sehr neu und eine Ausnahme. Für die meisten Logik-Chips
musst du halt selber messen.
Und ich wiederhole es gerne nochmal: für typische Werte kann man sich nichts kaufen. Der Hersteller garantiert nur, daß die Maximalwerte nicht gerissen werden.
Typische Werte werden immer drastisch niedriger sein. Zum einen liegt es in der physikalischen Natur der Dinge. Leckströme verdoppeln sich z.B. pro 10K Temperaturerhöhung (Arrhenius läßt grüßen). Von 25°C auf 125°C macht das schon mal eine Vertausendfachung!
Und zum anderen werden Hersteller auch bei der Angabe des Maximums konservativ agieren. Man muß sich ja nicht selber Druck machen.
Es wurde schon erwähnt, aber ich möchte trotzdem nochmal darauf hinweisen:
Die maximale Ruhestromaufnahme erreicht man nur bei der maximalen Temperatur und der maximalen Spannung.
Wenn ich ein CD40xx (das bis zu 18 Volt verträgt) mit nur 5 Volt betreibe, wird die Stromaufnahme weit unter der maximal-Angabe aus dem Datenblatt sein. Bei einem 74xx IC (das nur 6 Volt verträgt) bin ich mit 5 Volt aber viel näher am Maximum.
Und so aufwendig ist nachmessen ja nun auch nicht.
Alle möglichen ICs kaufen, warten, einbauen, Messreihe für den
Temperaturbereich über viele Exemplare machen dauert schon.
Das muss man fuer einen "typischen" Wert ja auch gar nicht.
Der typische Wert dient ja eher zur Befriedigung des eigenen
Interesses.
Fuer die AHCT-Serie z.B. nimmt man, Losgroesse = 1, einen 74AHCT86.
Bei dem bestimmt man den Ruhestrom. Zur Sicherheit permutiert
man die Eingangspegel parallel bei den 4 Gattern durch.
Was den Effekt auf einfache Weise um den Faktor 4 verstaerkt.
Daraus kann man dann leicht auf ein Einzelgatter hochrechnen.
Dann das Ganze angesteuert mit einem Rechteck aus einem Gatter
der selben Serie bei 0.1, 1, 10 und 50 MHz.
Zum Schluss baut man aus 3 Gattern einen Ringoszillator, und laesst
das 4. Gatter "mitklingeln". Als dynamischen Worst-Case-Fall.
Die Timings von Flanken und Delay sollte man sich auch merken.
Schon hat man den "typischen" Wertemix bei, wie die Chemiker sagen,
Normbedingungen. Pars pro toto, ein Teil fuer das Ganze.
Diesen Testplan kann man dann noch durch thermischen Stress u.ae.
ergaenzen, wenn man plant fuer so etwas zu entwickeln.
Ich hatte nach Datasheets gefragt, die sich an die Klientel richten,
welche auch einzelne ICs selektieren würde.
Die gibt es naturgemäß höchstens für solche ICs, bei denen der Hersteller von solchen Kunden auch signifikanten Gewinn erhofft, der den Aufwand rechtfertigt.
[...] und gelten dann nur für 125°C und maximale Versorgungsspannung.
Zu pauschal: Im von Dir verlinkten Datenblatt zu sn74aup1g04 wird sehr wohl zwischen 25° und 85° differenziert. Und in https://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74lvc00a.pdf wird sogar zwischen 25°, 85° und 125° unterschieden.
