Bei einem batteriebetriebenen Gerät, das den Großteil seiner Zeit im Schlafmodus verbringt, entscheidet das Energiemanagement über die Lebensdauer der Zelle. Dabei kommt es nicht auf den Wirkungsgrad unter Volllast an, sondern auf den Strom, den der Regler zieht, während das Gerät untätig ist. Ein Bauteil mit einem Wirkungsgrad von neunzig Prozent bei hundert Milliampere, das im Leerlauf jedoch zwanzig Mikroampere verbraucht, kann eine Knopfzelle schneller entleeren als die eigentliche Anwendung, was genau den Fehler darstellt, in den Teams tappen, die es gewohnt sind, Platinen für dauerhaft angeschlossene Geräte zu entwerfen.

Das macht die Auswahl der Energiemanagement-Bauteile zu einer echten Konstruktionsaufgabe und nicht zu einer Zeile, die aus dem letzten Entwurf übernommen wird. Die Regler, die Lastschalter, ein Ladezustandsmesser und ein Energie-Harvester (sofern vorhanden) beanspruchen alle das Energiebudget, und ihre Auswahl für einen energiesparenden Knoten folgt anderen Regeln als für eine netzbetriebene Platine, bei der der Leerlaufstrom nie zählte und der Wirkungsgrad unter Volllast die einzige Kennzahl war. Ein Bauteil, das bei einer parametrischen Suche identisch aussieht, kann sich in genau der Kennzahl, die die Batterielebensdauer bestimmt, um eine Größenordnung unterscheiden. Wer die falsche Spalte liest, riskiert, dass ein Entwurf die versprochene Laufzeit des Datenblatts still und leise verfehlt.

Der Ruhestrom ist die entscheidende Zahl

Der Ruhestrom, also der Strom, den ein Regler verbraucht, um sich selbst am Laufen zu halten, wenn kaum oder gar keine Last anliegt, klingt nach einer Fußnote und ist für ein schlafendes Gerät die wichtigste Kenngröße überhaupt. Ein Knoten, der einmal pro Minute für wenige Millisekunden aufwacht, verbringt fast seine gesamte Zeit damit, nur seinen Schlafstrom zu ziehen, und der Ruhestrom des Reglers ist ein fester Bestandteil dieses Grundverbrauchs, der jede Sekunde fließt, unabhängig davon, ob das Gerät etwas zu tun hat oder nicht. Ein Regler mit einem Ruhestrom von zehn Mikroampere, der unter einer Last betrieben wird, die im Durchschnitt nur wenige Mikroampere beträgt, dominiert das Energiebudget bereits für sich allein. Deshalb muss das Bauteil in erster Linie für seinen Verbrauch ohne Last ausgewählt werden, lange bevor der Verbrauch unter Volllast überhaupt in Betracht kommt. Die hervorgehobene Effizienzangabe im Datenblatt hingegen wird bei einer Last gemessen, die das schlafende Gerät kaum jemals erreicht.

Der richtige Ansatz ist, die zwei Zustände zu gewichten, in denen das Gerät lebt. Der Aktivstrom multipliziert mit dem Anteil der Zeit im Wachzustand, addiert zum Schlafstrom multipliziert mit dem weit längeren Anteil im Schlafzustand, ergibt den Durchschnittsstrom, den die Batterie spürt. Bei einem Knoten, der einmal pro Minute aufwacht, überwiegt der Schlafanteil bei weitem. Milliampere beim Aktivstrom einzusparen bringt wenig, wenn das Gerät nur ein Tausendstel seiner Lebenszeit aktiv ist, während das Einsparen von Mikroampere beim Grundverbrauch Jahre bringt.

Die Falle besteht darin, dass die groß gedruckte Effizienzangabe im Datenblatt bei einer Last gemessen wird, die das schlafende Gerät vielleicht ein paar Millisekunden pro Stunde sieht. Ein Schaltregler mit einem Wirkungsgrad von fünfundneunzig Prozent bei einem halben Ampere kann bei hundert Mikroampere auf einen Bruchteil davon fallen, weil die für das Schalten aufgewendete Energie die gelieferte Energie übersteigt. Ein Bauteil, das auf der ersten Seite ausgezeichnet aussieht, wird damit zur falschen Wahl für einen Knoten, dessen durchschnittliche Last tausendmal unter dem Testpunkt liegt. Darum geht es beim Thema Batterielebensdauer verlängern mit dem richtigen Energieverwaltungs-Chip: den Ruhestrom und den Wirkungsgrad bei der tatsächlichen Last des Geräts lesen, was für einen energiesparenden Knoten die Leichtlast- und Nulllastspalten in den Tabellen bedeutet und nicht die hervorgehobene Zahl oben auf der Seite. Die neuere Generation von Bauteilen ist genau darauf ausgelegt, mit Ruheströmen im Bereich von einigen hundert Nanoampere und Schaltverfahren, die nur so oft pulsen, wie eine kleine Last es erfordert. So kann ein Abwärtswandler beim Leerlaufverbrauch endlich mit einem LDO mithalten und gleichzeitig die Effizienz eines Schaltreglers behalten, wenn das Funkmodul aufwacht und echten Strom zieht. Die Architektur, die sich aus dieser Betrachtung ergibt, ist meist eine aufgeteilte: eine kleine, sparsame Versorgungsschiene, die ständig aktiv gehalten wird und die Teile versorgt, die niemals stromlos werden dürfen, und größere Schienen, die zwischen den Arbeitsphasen abgeschaltet werden. Der immer-aktive Pfad wird für Nanoampere ausgelegt, der leistungsstarke Pfad existiert nur, wenn etwas ihn braucht. Den immer-aktiven Pfad falsch auszulegen ist die unauffällige Art, wie ein Entwurf sein Batterieziel um einen Faktor verfehlt, den niemand aus dem Schaltplan erklären kann. Jedes Bauteil sieht richtig aus, und nur eine Strommessung im echten Leerlauf zeigt, wo die Ladung verloren geht. Diese Messung ist selbst eine kleine Herausforderung, weil ein Leerlaufstrom von wenigen Mikroampere nahe am Rauschen eines normalen Tischmessgeräts liegt und oft einen dedizierten Niederstrombereich oder einen für den Schlafzustand ausgelegten Shunt-Widerstand erfordert, bevor er überhaupt ablesbar ist. Die Disziplin, die das verhindert, besteht darin, den Schlafzustand zuerst zu budgetieren, die wenigen Dinge zu benennen, die versorgt bleiben müssen, das Bauteil mit dem geringsten Grundverbrauch zu wählen, und alles andere als Last zu behandeln, die abgeschaltet wird, anstatt nur etwas gedrosselt zu werden.

Die immer-aktive Versorgungsschiene

Die Schiene, die sich niemals abschaltet, legt den Grundverbrauch für das gesamte Gerät fest und verdient daher die sorgfältigste Betrachtung. Der Strom, den sie führt, ist gering (ein Mikrocontroller im Tiefschlaf und vielleicht eine Echtzeituhr), fließt aber ohne Unterbrechung. Der Regler, der sie versorgt, wird primär nach Ruhestrom und Rauschverhalten ausgewählt, noch vor allen anderen Kriterien.

Wenn diese Schiene außerdem sauber sein muss, verdient ein rauscharmer LDO seinen Platz aus eigenen Gründen. Der LP5907SNX-3.0/NOPB versorgt eine ruhige, immer-aktive Schiene: ein rauscharmer Regler mit hoher Versorgungsspannungsunterdrückung, der für eine empfindliche Analog- oder Funkkommunikationsversorgung geeignet ist, bei der das Rippeln eines Schaltreglers direkt in das Signal einfließen würde. Er zieht im Leerlauf wenig genug, um auf einem immer-aktiven Pfad zu sitzen, ohne das Budget zu belasten. Er tauscht die Effizienz eines Schaltreglers gegen Stille und eine geringe Bauteilanzahl, was auf einer leichten Schiene die richtige Entscheidung ist, wo der Dropout-Verlust klein ist und eine saubere Versorgung mehr zählt als der letzte Prozent Wirkungsgrad.

Wo es sich um eine kleine, sparsame Schiene ohne Rauschbedenken handelt, wird das Bauteil noch schlichter. Der MCP1700 deckt einen LDO mit niedrigem Ruhestrom für kleine Ströme ab: ein kostengünstiger Regler, der bei einem geringen Ruhestrom einen bescheidenen Strom liefert und damit für die Versorgung eines Mikrocontrollers und eines Sensors auf einem Knoten geeignet ist, bei dem der Eingang nah genug am Ausgang liegt, sodass der Dropout-Verlust eines LDO gering bleibt. Er ist die Standardwahl, wenn die Schiene leicht und der Eingangs-Headroom knapp ist, das Bauteil also dann gewählt wird, wenn Einfachheit und Preis die Effizienz überwiegen, die ein Schaltregler bieten würde.

Wenn der Spannungsabfall vom Eingang zum Ausgang groß wird, wandelt ein LDO diese Differenz in Wärme um, und ein Abwärtswandler wird zur effizienten Lösung, unter der Bedingung, dass er im Leerlauf günstig ist. Der TPS62840 bietet einen Abwärtswandler mit extrem niedrigem Ruhestrom: ein Abwärtsregler, dessen Ruhestrom im unteren dreistelligen Nanoampere-Bereich liegt, was einem Entwurf erlaubt, die Effizienz eines Schaltreglers über einen weiten Eingangsbereich zu nutzen, ohne die Leerlauf-Nachteile älterer Abwärtswandler zu tragen. Es ist das Bauteil, das eine geschaltete immer-aktive Schiene auf einer Batterie praktikabel macht, wo man vor wenigen Jahren aus reiner Notwendigkeit zur Begrenzung des Leerlaufstroms auf einen LDO zurückgegriffen hätte. Es verändert die aufgeteilte Architektur, indem es erlaubt, die sparsame Schiene als Schaltregler zu betreiben, wenn der Eingang dies erfordert. Ein weiter Eingangsbereich, der mit dem Entladen der Batterie abfällt, ist genau dort, wo er sich bezahlt macht.

Abschalten, was schläft

Alles, was zwischen Arbeitsphasen keinen Strom zieht, sollte vollständig vom Strom getrennt werden, nicht nur gedrosselt. Ein Lastschalter übernimmt das.

Aufwärtswandler, Harvester, Ladezustandsmesser und das Abschalten des Rests

Die Spannung einer Batterie sinkt mit der Entladung, und ein Gerät, das eine stabile Schiene oberhalb oder über diese fallende Spannung hinaus benötigt, braucht einen Regler, der sowohl Strom abwärts als auch aufwärts wandeln kann. Der TPS63070 gibt einem Knoten einen Auf-Abwärts-Wandler, der seinen Ausgang stabil hält, unabhängig davon, ob die Zelle über oder unter dem Zielpegel liegt. Das ist geeignet für ein Einzelzellen-Gerät, das von einer frischen Zelle bis fast zur Entladung weiterarbeiten muss, anstatt auszufallen, wenn die Spannung die Eingangsschwelle des Reglers unterschreitet. Es rechtfertigt seine zusätzliche Komplexität bei jedem Ausgang, der die vollständige Entladekurve der Batterie überdauern muss, und beseitigt die Versuchung, die Zelle überzudimensionieren, nur um oberhalb des festen Eingangsbereichs des Reglers zu bleiben.

Wo das Gerät seine eigene Energie sammelt, muss die Eingangsstufe einen winzigen, unregelmäßigen Eingang nutzbar machen. Der BQ25570 wandelt winzige Energie in eine nutzbare Versorgungsschiene um, beginnend bei Eingangspegeln, die so niedrig sind, dass eine kleine Solarzelle unter Bewölkung oder ein bescheidener Temperaturgradient noch etwas liefert. Mit Maximum-Power-Point-Tracking wird so viel aus der Quelle gezogen wie möglich, und ein Lader speichert es in eine Zelle oder einen Kondensator, von dem das Gerät betrieben wird. Er verwandelt eine Quelle, die zu schwach ist, um direkt genutzt zu werden, in eine Versorgungsschiene, von der ein Knoten leben kann.

Zu wissen, wie viel Ladung noch vorhanden ist, ist eine eigenständige Aufgabe, und bei einem batteriebetriebenen Gerät ist eine Schätzung allein anhand der Klemmenspannung unzuverlässig. Der MAX17048 dient als Ladezustandsmesser für ein batteriebetriebenes Gerät: Er verfolgt den Ladezustand mit einem Modell, das Last und Temperatur korrigiert, sodass das Gerät einen echten Batterieprozentwert ausgeben und warnen kann, bevor die Batterie leer ist, anstatt eine sinkende Spannung abzulesen, die unter Last lügt und sich im Leerlauf wieder erholt. Er zieht wenig genug, um auf der immer-aktiven Schiene versorgt zu werden, und er rechtfertigt seinen Platz überall dort, wo eine falsche Leer-Schätzung mehr kostet als das Bauteil selbst, nämlich bei einem Gerät, das einen sauberen Shutdown oder eine letzte Nachricht senden muss, bevor die Zelle aufgibt.

Zurück zum Lastschalter, dem Bauteil, das die Stromversorgung unterbricht anstatt sie nur zu reduzieren. Der TPS22918 trennt ruhende Abschnitte als Lastschalter: ein gesteuerter Schalter, der einen Sensor, ein Peripheriegerät oder einen ganzen Unterbereich der Platine trennt, wenn dieser in den Leerlauf geht, und damit sein Leckstrom vollständig aus dem Schlafbudget entfernt wird, anstatt darauf zu vertrauen, dass ein Niederstrom-Modus, der immer noch etwas zieht, ausreicht. Ein vollständig abgeschalteter Abschnitt schlägt den gleichen Abschnitt im Leerlauf jedes Mal, wenn das Gerät auf Mikroampere angewiesen ist.

Über alle Bauteile hinweg gilt die gleiche Disziplin: den immer-aktiven Pfad für den Leerlaufstrom auslegen, alles abschalten, was abgeschaltet werden kann, und jedes Bauteil bei der Last lesen, bei der das Gerät tatsächlich betrieben wird, nicht bei der, mit der ein Datenblatt beginnt. Der Aufwärtswandler hält die Schiene stabil, während die Zelle absackt, der Harvester füllt sie dort nach, wo Energie zu ernten ist, der Ladezustandsmesser sagt, wie viel noch vorhanden ist, und die Lastschalter nehmen die ruhenden Abschnitte vollständig aus dem Budget heraus. Diese vier richtig um eine sparsame immer-aktive Schiene herum auszulegen bedeutet, dass die Batterie für die Arbeit genutzt wird und nicht in den Pausen dazwischen, was bei einem schlafenden Gerät genau der Ort ist, wo die Ladung sonst still und leise verbraucht würde.