Leistungsmanagement im Internet der Dinge

Was bisher ein Instrument für die Kommunikation von einer Stelle zu einer anderen war, unterzieht sich einer Wandlung in ein Medium für eine bisher nicht gekannte Menge von Daten, die Milliarden untereinander vernetzter Produkte erzeugen (Big Data). Aufgrund von Embedded Processing erhalten einfache Dinge plötzlich Intelligenz: Bspw. verfügt ein unspektakuläres Thermostat künftig über einen leistungsstarken Prozessor, der Gewohnheiten von Bewohnern erfasst, über das Internet kommuniziert und die im Haushalt benötigte Energie optimal bereit stellt. Solche vernetzten Thermostate, Lautsprecher, Autos und Uhren halten im Alltag immer mehr Einzug. Systemingenieure dringen dabei in neue Dimensionen vor; eine dringend benötigte Zutat ist ein flexibles Leistungsmanagement.

Den meisten intelligenten Objekten gemeinsam sind bestimmte Schlüsselmodule, die sich in die folgende Kategorien einteilen lassen:

• • Der Embedded-Prozessor
• • Speicher
• • Sensoren
• • Kommunikationsfunktionen
• • Bedienschnittstelle

Diese Blöcke bilden mithilfe von Applikationssoftware, die meist auf einem Betriebssystem aufsetzt, einen Verbund: Betrachtet man z.B. einen intelligenten Kühlschrank, eine intelligente Uhr oder ein intelligentes Musiksystem lässt sich erkennen, dass die grundlegende Hardware in die oben aufgeführten Kategorien aufgebrochen werden kann. Unternehmen konkurrieren zudem um die Entwicklung einer Landschaft intelligenter, vernetzter Objekte, die jeden Aspekt unseres Lebens abdecken werden.

Intelligente Produkte zügig entwicklen

Es ist dabei hilfreich, auf einen Hardware-Kern zurück zu greifen, der ähnlich ist. Denn dies erlaubt eine raschere, skalierbare Entwicklung solcher Produkte und beschleunigt deren Einführung in den Markt. Hardwareingenieure können so intelligente Plattformen konzipieren, aus denen sich unterschiedliche intelligente Objekte realisieren lassen. Unter dem Aspekt des Leistungsmanagements ist es nötig, flexible und skalierbare Lösungen parat zu haben, die sich auf eine Vielzahl intelligenter Systeme anpassen lassen.

Leistungsmanagement für intelligente Objekte

Traditionell werden auf Stromversorgungsaspekte spezialisierte Ingenieure damit betraut, Lösungen für die Versorgung zu entwickeln, die einen hohen Wirkungsgrad, geringe Kosten und Abmessungen, Spannungstoleranz und Fehlerschutz aufweisen. Ein hoher Wirkungsgrad trägt dabei nicht nur zur Energieeinsparung bei, sondern macht die Anwendung auch thermisch beherrschbar. Ingenieure müssen darüber hinaus aber kostenoptimierte Lösungen abliefern: Leistungshalbleiter, Komponenten wie Induktivitäten und Kondensatoren müssen so dimensioniert werden, dass ein ausgewogenes Verhältnis von Wirkungsgrad, Kosten und Größe erreicht wird. Für die Lasten (Mikroprozessor, Speicher, Peripheriebausteine usw.) müssen strikte Vorgaben hinsichtlich der Spannungstoleranz eingehalten werden.

Leistungsmanagement aus der Perspektive der Plattform

Es ist die Aufgabe des Leistungswandlers, die Ausgangsspannung unter allen statischen und dynamischen Bedingungen innerhalb der akzeptablen Toleranzschwellen zu halten. Leistungswandler sollten zudem gegen Fehler schützen können. Ursachen für Fehler könnten schadhafte Komponenten, Unfälle oder andere Umstände wie eine Überhitzung sein. Der Leistungswandler muss die Last und auch sich selbst in solchen Fehlerszenarien schützen können. Entwickler von IoT-Hardware müssen daher das Leistungsmanagement aus der Perspektive der Plattform betrachten: Wie bereits weiter oben erwähnt, kann eine gemeinsame Plattform so abgestimmt werden, dass sie das Herzstück für eine Vielzahl intelligenter Objekte wird.

Flexibilität in Anschaltsequenz und Event-Reporting

Als eine Schlüsselfunktion einer Leistungsmanagementlösung für eine intelligente Platform gilt Flexibilität in Timing und Anschaltsequenz: Die Anlaufspannung unterschiedlicher Versorgungsbereiche muss sich in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz der Prozessors, unterschiedlicher Speicher und Peripheriebausteine einstellen lassen. Timing und Einschaltsequenz der unterschiedlichen Spannungsdomänen müssen ebenfalls einstellbar sein. So z.B. können tragbare batteriebetriebene Systeme nur einen begrenzten Anlaufstrom bereitstellen, was bedingt, dass die Ausgangsspannungen ihren Endwert langsamer und mit größerem Zeitabstand erreichen. Solche Einschränkungen würden auf ein Automotive-System natürlich nicht zutreffen. Hier gilt: je schneller die Spannung anliegt, desto besser. Üblicherweise werden Spannung, Sequenz und Flankensteilheit mit Hilfe externer Widerstände und Kondensatoren kontrolliert.

Spannungsanpassungen mit Leistungswandler

Um die Stromaufnahme zu reduzieren, kann die für einen Prozessor benötigte Spannung abgesenkt werden, wenn dieser mit geringeren Frequenzen getaktet wird. In ähnlicher Weise muss sie angehoben werden, wenn komplexere Aktivitäten anliegen und die Prozessorfrequenz erhöht werden muss. Ein Leistungswandler muss daher seine Ausgangsspannung im Handumdrehen ändern können. Eine Änderung der Spannung kann entweder über einen speziellen Anschluss oder durch Kommunikation über I2C oder SPI ausgelöst werden. Die Leistungsmanagementlösung soll auch Fehler erkennen und entsprechende Fehlermeldungen an den Prozessor geben können. Es wäre hilfreich, wenn sie den Prozessor warnen könnte, noch bevor ein Fehler auftritt. Die meisten Leistungs-ICs haben einen thermischen Überlastschutz, das heißt, sie erzwingen eine Abschaltung, wenn die Chiptemperatur über einer vorgegebenen Schwelle liegt. Anstatt einfach abzuschalten wäre es hilfreich, wenn das IC den Prozessor alarmieren könnte, bevor die Abschaltschwelle erreicht wird. Ist das IC beispielsweise für eine Abschaltschwelle bei 140°C konzipiert, könnte es dem Prozessor signalisieren, wenn die Chiptemperatur 110°C, 120°C und 130°C durchläuft, so dass der Prozessor die elektrische Last entsprechend absenken könnte und so Anwendern die Funktionsbereitschaft erhalten bleibt, wenn auch mit reduziertem Funktionsumfang.

Stromsparmodi, interne Kompensation und Skalierbarkeit

Intelligente Objekte verbringen einen Großteil ihrer Zeit in diversen Stromsparmodi. Oft gibt es kurze Perioden mit hoher Aktivität und lange Perioden mit geringer Aktivität. Das Leistungsmanagementsystem sollte daher Hand in Hand mit dem Prozessor arbeiten und seine eigene Betriebsart so optimieren, dass es die insgesamt aufgenommene Energie reduziert. Ein hoher Wirkungsgrad bei geringer Last ist auch im Sinne einer möglichst hohen Systemzuverlässigkeit von Bedeutung. Als Wärme verlorene Energie sorgt für eine Erhöhung der Umgebungs- und der Chiptemperatur. Wenn man in Betracht zieht, dass intelligente Objekte zwei bis 15 Jahre funktionieren müssen, so könnte schon eine kleine Erhöhung der Temperatur signifikante Auswirkungen auf die Langzeitzuverlässigkeit haben. Spannungsregler müssen kompensiert werden, und das geschieht typischerweise über externe Widerstände und Kondensatoren. Externe Komponenten tragen aber nicht zur Flexibilität bei. Spannungsregler mit interner Kompensation werden für intelligente Objekte auf jeden Fall bevorzugt. Und auch der Leistungsbedarf eines Quad-Core-Prozessors unterscheidet sich von dem einer Single-Core-Version. Die meisten intelligenten Objekte verfügen über Softwaretreiber, die die Prozessorschnittstelle zum Leistungsmanagementsystem steuern. Auf Plattform-Ebene sollte die Versorgung von vorneherein auf Skalierbarkeit konzipiert werden, und das nicht nur im Hinblick auf die Hardware, sondern auch auf die Software. Ein großer Teil der Entwicklungskosten für ein intelligentes Objekt entfällt auf die Softwareentwicklung. Es ist hilfreich, wenn der gleiche Softwaretreiber über eine ganze Familie von Leistungsmanagementlösungen hinweg eingesetzt werden kann (unter Nutzung einer universellen Tabelle im Register). Vergleicht man diskrete Leistungswandler mit so genannten PMICs (Power Management Integrated Circuits), so lassen die oben beschriebenen Anforderungen an die Systemversorgung das Pendel zugunsten der PMICs ausschlagen.

PMICs mit diversen Prozessoren und Peripheriebausteinen

Die Power Fusion (PF) Power Management Integrated Circuits-Baureihe (PMIC) von Freescale Semiconductor bietet Konfigurierbarkeit und Programmierbarkeit. Mit einem Baustein lassen sich PMIC-Lösungen realisieren, die ein breites Spektrum von Prozessoren und Peripheriebausteinen versorgen können. Diese PMICs verfügen über eine interne Kompensation, und die Ausgangsspannung der Schaltregler wird im Gegensatz zu herkömmlichen Wandlern, die externe Widerstandsteiler benötigen, intern über Digital-/Analogwandler kontrolliert. Abbildung 1 in diesem Beitrag zeigt ein Blockschaltbild des PMICs MMPF0100. In diesen Bausteinen werden Anlaufspannung, Sequenz und Reglerkonfiguration in einem One Time Programmable-Speicher (OTP) abgelegt. Auf diese Art und Weise können diese PMICs in unterschiedlichen Projekten zum Einsatz kommen, ohne dass sich die Materialkosten ändern.

Konfigurationen können getestet werden

Mit der „Try-before-Buy“-Funktion können Ingenieure vor der Programmierung des OTP unterschiedliche Konfigurationen testen. Die PMICs der PF-Baureihe eignen sich für die Applikationsprozessoren der i.MX 6-Familie und können mit ihrer – aufgrund OTP – hohen Flexibilität ein breites Spektrum von Prozessoren und Systemen abdecken. Diese PMICs kommen in einer Reihe von i.MX 6-Referenzdesigns zum Einsatz, die auch die notwendigen Softwaretreiber für die Kontrolle der verschiedenen Power-Modi umfasst.