Der Stromverbrauch ist ein wichtiger Parameter jedes elektronischen Gerätes. Ein geringer Energieverbrauch ist gut für die Umwelt und das Portemonnaie und ggf. auch für die Lebensdauer des Gerätes.
Je empfindlicher die Stromversorgung eines elektronischen Gerätes ist, desto wichtiger ist ein geringer Stromverbrauch. Am Stromnetz betriebene Geräte können ineffizient arbeiten, aber bei Batterie- und Akkugeräten verkürzt sich die Betriebsdauer, sobald die Elektronik zuviel Strom entnimmt.
Mit der Verbreitung des Internets der Dinge (IoT) und dem batterielosen Energy Harvesting wird ein stromsparendes Design immer wichtiger. IoT setzt auf stromsparende Funktechnologien wie Bluetooth® Low Energy, NB-IoT, LoRaWAN oder Sigfox.
Die Batterien in IoT-Geräten halten oft zehn Jahre oder länger, wie z. B. in intelligenten Wasserzählern. Um diese Art von niedrigem Stromverbrauch zu erreichen, braucht es also mehr als nur stromsparende Technologien und Komponenten.
Low-Power-Design beginnt im Allgemeinen mit einem Low-Power-Systemkonzept. In dieser Konzeptphase werden die besten stromsparenden Kommunikationstechnologien und Komponenten für die Anwendung ausgewählt.
Die meisten Verarbeitungsplattformen und Kommunikationschips verfügen über verschiedene Energiemodi: Aktiv, Standby, Sleep und Deep Sleep. Darüber hinaus bieten Kommunikationstechnologien spezifische Energiemerkmale, die auf dem erforderlichen Kommunikationsverhalten basieren, zum Beispiel:
NB-IoT und LTE-M unterstützen einen Energiesparmodus (PSM) und erweiterte DRX-Modi (eDRX). Darüber hinaus wurde vor kurzem das Wake-up-Radio-Feature eingeführt.
Bluetooth® Low Energy – eine stromsparende Technologie, die seit der Einführung von Bluetooth®5.2 eine dynamische Leistungssteuerung ermöglicht.
Wi-Fi 802.11ax unterstützt mehrere stromsparende Funktionen für IoT-Anwendungen, wie z. B. Wake-up-Radio.
Tests helfen bei der Optimierung des Low-Power-Designs
Es ist sehr wichtig, das Stromverbrauchsverhalten eines Geräts zu verstehen. Zum Beispiel haben Bluetooth®-Chips typischerweise verschiedene Betriebsmodi:
- Idle
- Schlaf
- Tefschlaf
Einige mit sehr niedrigen Schlafströmen von nur wenigen Mikroampere und Spitzenströmen für die Übertragung von mehreren mA.
Daher ist es wichtig, den Stromverbrauch während verschiedener Tests zu überwachen und die Nutzung der verschiedenen Modi zu optimieren.
Die Dualstromversorgung NGM202 verfügt über vier Strommessbereiche und eine Auflösung von bis zu 6½ Stellen. Diese Eigenschaften machen sie ideal für Geräte mit hohen Stromspitzen und niedrigem Standby-Stromverbrauch.
Sicherer lebenslanger Betrieb mit einer einzigen Batterie
Ein weiterer kritischer Faktor sind die Batterien, die für den Betrieb von Geräten mit geringem Stromverbrauch verwendet werden. Batterien haben über ihre Lebensdauer einige typische Eigenschaften, wie z. B. Energiedichte und Entladekurven.
Fortgeschrittene Tests sind in jeder Entwicklungsphase entscheidend, um zu überprüfen, ob das Design funktioniert. Durch die Tests wird die zu erwartende Leistung über den Lebenszyklus der Batterie bestimmt.
Aus Zeitgründen ist es unmöglich, ein batteriebetriebenes Gerät im Echtbetrieb an Batterien zu testen. Deshalb sind Tests zur Batteriesimulation im Zeitraffertempo unerlässlich. Die Serie R&S® NGM200 vereint Batteriesimulator und Stromversorgung und kann die tatsächliche Stromabgabe verschiedener Batterie-Typen unter Berücksichtung des Lade-/Entladezustandes simulieren.
Das R&S® NGM202 kann sogar zwei Batterien gleichzeitig simulieren.
Garantiert beste HF-Leistung
Hersteller müssen sicherstellen, dass ihre drahtlosen Geräte eine optimale HF-Sendeleistung für eine reibungslose Kommunikation in allen Situationen und an allen Orten bieten. Die Auswirkungen einer schlechten HF-Leistung auf den Stromverbrauch werden dabei oft übersehen.
Drahtlose Kommunikationstechnologien verwenden verschiedene Techniken, um mit Signalproblemen umzugehen:
- Anpassen der Sendeleistung
- Umschalten auf robustere Modulation
- Kodierungsschemata, um eine blinde Wiederholung von Nachrichten zu starten
- Verwendung des Protokolls zur Wiederholung von Nachrichten bis zur erfolgreichen Übertragung
Alle diese Techniken führen zu einem höheren Stromverbrauch. Die Rechnung ist einfach: Wenn eine Nachricht zweimal gesendet wird, verdoppelt sich die Sendezeit und die Leistungsaufnahme. Dieser Anstieg macht die Überprüfung der HF-Leistung im Sende- und Empfangsweg unerlässlich.
Gerade bei einem LoRaWAN-Signal lohnt sich die Durchführung von Spektrummessungen. LoRaWAN-Signale arbeiten in einer Sub-GHz-Bandbreite zwischen 125 kHz und 500 kHz.
Die integrierte Markerfunktion des R&S® FPC unterstützt genaue Messungen für unterschiedliche LoRa-Spreizungen und Kanalbandbreiten. Damit kann sichergestellt werden, dass das Gerät die erwartete Sendeleistung innerhalb der geforderten Grenzen liefert.
Zusammenfassung
Viele Hersteller treiben die Entwicklung neuer Features und Funktionalitäten ihrer Produkte weiter voran, die alle in portablen, akku- oder batteriebetriebenen Geräten untergebracht sind. Für diese Produkte ist die Verbesserung der Laufzeit durch Minimierung des Stromverbrauchs ein großer Unterschied zu den Wettbewerbern, während gleichzeitig die Gesamtlebensdauer des Produkts verbessert wird.
Das Testen ist ein integraler Bestandteil des Designprozesses und ermöglicht es den Ingenieuren, eine Reihe von stromsparenden Techniken wie Clock Gating, Power Gating und Multi-Voltage zu untersuchen.
