Der Niedrig­spannungsbereich: Unterschreitet die Spannung eine prozessabhängige Schwelle, dominieren die Leckströme den Energieverbrauch.

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Die Funktionalität der IoT-Geräte lässt sich in zwei Bereiche untergliedern: zum einen den Bereich der Datenerfassung und der Zwischenspeicherung von Daten, der sich permanent mit geringster Leistungsaufnahme betreiben lässt, und zum anderen der Bereich der Datenverarbeitung und Kommunikation. Dabei handelt es sich um Energie-intensivere Aufgaben, die aber nur in gewissen Zeitabständen stattfinden. Somit kann hier die Back-Bias-Technik zum Einsatz kommen, die die Vorspannung einer Schaltung dynamisch den aktuellen Erfordernissen angleicht.

Der Niedrigspannungsbereich birgt einiges an Herausforderungen: Da sich weder typische Logikbibliotheken noch Transistormodelle für Near-/Sub-Threshold-Anwendungen eignen, bedarf es spezieller Komponenten. Zudem funktionieren auch SRAMs (statische flüchtige Speicherbausteine) in diesem Bereich nicht mehr zuverlässig. Somit wird das Zwischenspeichern erfasster Daten erschwert. Darüber hinaus sorgt auch der Transistor selbst für Probleme. Für den Betrieb mit 0,9 V optimiert, liefert er oftmals unvorhergesehene oder unzureichende Ergebnisse. Damit verknüpfte mögliche Fehler bleiben jedoch nicht selten unentdeckt, da die Transistor-Parameter in der Serienproduktion üblicherweise nur bei Nominalspannung kontrolliert werden.

Im Near-Treshold-Betrieb werden Daten erfasst und zwischengespeichert. Die Energie-intensivere Daten­verarbeitung und Kommunikation erfolgt im dynamischen ­Back-Bias-Betrieb.

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Fujitsu Electronics Europe (FEEU) agiert als Distributionspartner für die Deeply-Depleted-Channel-Technologie (DDC) von Mie Fujitsu Semiconductor (MIFS). Das Unternehmen kennt die Herausforderungen des Niedrigspannungsbereichs und adressiert diese wie folgt: Erstens liefert es einen Transistor und zugehörige Simulations­modelle, die spezifisch auf den Niedrigspannungsbereich ausgelegt sind. Zweitens hat es in Zusammenarbeit mit dem Schweizer Forschungs- und Entwicklungszentrum Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM) eine Logik-Bibliothek und einen Memory-Compiler entwickelt, die auf Near-/Sub-Threshold-Anwendungen ausgelegt sind. Drittens kontrolliert MIFS Transistor-Parameter in der Produktion bis in den Sub-Threshold-Bereich hinein, wodurch sich Probleme zuverlässig identifizieren lassen.

Die DDC-Technologie weist zwei weitere Vorteile auf: Zum einen fällt die Varianz der Transistor-Parameter im Vergleich zu Standard-Technologien deutlich geringer aus, der SRAM-Speicherinhalt wird somit im angestrebten Spannungsbereich stabilisiert. Zum zweiten ist die Back-Bias-Sensitivität zu nennen: Die Charakteristik der Logik lässt sich durch das Anlegen einer Substratspannung beeinflussen oder modulieren – bei Standard-Technologien ist eine solche Beeinflussung nur in sehr geringem Maße möglich. Die DDC-Technologie erlaubt, eine solche Modulation entweder statisch oder dynamisch durchzuführen: Eine statische Durchführung funktioniert wie das Trimmen diskreter Schaltungen. Im dynamischen Fall können Schaltungsteile je nach aktuellem Performance-Bedarf der Anwendung moduliert werden. Ein solches Vorgehen wirkt sich positiv auf die Leckströme und damit auf die Energiebilanz der Anwendung aus.

Synergien zwischen ­Komponenten

Nicht nur auf die Energie-Effizienz einzelner Komponenten kommt es an, sondern auch auf deren Zusammenwirken auf einer Leiterplatte. Die korrekte Zusammenstellung erfordert Erfahrung im Niedrigspannungsbereich, zudem müssen geeignete Bauelemente oft aus aller Welt zusammengetragen werden, da die Zahl der Anbieter begrenzt ist. FEEU bietet beispielsweise MCUs und RTCs des amerikanischen Herstellers AmbiqMicro an und wendet sich damit insbesondere an Kunden, für die eine eigene Chip-Entwicklung nicht in Frage kommt. Beide Produkte arbeiten im Near-Threshold-Bereich und sind damit auf Energie-Effizienz ausgelegt. Die Leistungsaufnahme typischer MCUs unterbieten sie deutlich. Den Prozessorkern der MCUs bildet ein ARM Cortex M4F, dessen Leistungsaufnahme selbst unter der des Cortex M0+ liegt. Neben einem 13-Kanal-ADC gehören konfigurierbare GPIOs zu den Standard-Interfaces der Apollo-MCUs. Diese eignen sich unter anderem, um I2C- und SPI-Interfaces zu implementieren. Als Speicher stehen maximal 512 KByte Flash und 64 KByte RAM zur Verfügung. Die Apollo-MCUs gibt es in zwei verschiedenen Packages, entweder im 41-Pin-CSP mit 27 GPIOs oder in einem 64-Pin-BGA mit insgesamt 50 GPIOs. Darüber hinaus ist die in die MCU ­integrierte RTC auch als Einzelbauteil erhältlich. Gerade für Anwender, die ihre bisherige MCU nicht wechseln wollen oder können, eignet sich die RTC-Variante mit integrierter Power-Management-Unit. Effiziente RTCs sind vor allem dann unverzichtbar, wenn Daten in nur relativ kleinen zeitlichen Abständen erfasst werden. In den langen inaktiven Phasen muss die Leistungsaufnahme soweit wie möglich reduziert werden.

Auch andere Komponenten sind für IoT-Anwendungen bedeutsam. So wurde ja bereits angesprochen, dass die Datenspeicherung im Nied-rigspannungsbereich eine Herausforderung darstellt – und gerade nichtflüchtige Speicher verzeichnen bei Schreibzugriffen eine vergleichsweise hohe Leistungsaufnahme. Eine Alternative sind FRAMs, die eine hohe Energie-Effizienz aufweisen. Darüber hinaus müssen Standard-Bauelemente, wie zum Beispiel Quarze und Chip-Widerstände, kompakt und stromsparend gebaut sein, um den ­Anforderungen des IoT gerecht zu werden.

Autor:
Dr. Klaus-Peter Dyck ist Senior Manager Marketing & Application bei Fujitsu Electronics Europe in Langen.