Mit einem 32-Bit-Controller, der sich durch eine äußerst geringe Leistungsaufnahme auszeichnet, will ENERGY MICRO den etablierten Controller-Herstellern Marktanteile wegschnappen. Der Controller arbeitet mit Spannungen zwischen 1,8V und 3,8V und nimmt im aktiven Modus nur 180µA pro MHz auf, in den verschiedenen Schlafmodi 0,9µA, 0,6µA und 20nA.

ENERGY MICRO - ein neuer Hersteller von Mikrocontrollern? Wer will freiwillig in das nicht gerade unterbesetzte Haifischbecken springen? Luminary Micro, dem jüngsten Start-up-Unternehmen, war kein langes selbständiges Leben beschieden; Texas Instruments hat die Firma letztlich geschluckt.
In den neuen Controllern von ENERGY MICRO bildet der ARM Cortex M3 das Herz aber auch Hersteller wie TI, NXP und STMicro setzen ebenfalls auf ARM-Cores, um Controller mit geringer Leistungsaufnahme zu realisieren. Wo liegt also die Differenzierung?

»Wir haben die erste wirkliche Low-Energy-Controller-Architektur der Welt entwickelt«, sagt Geir Førre, der Gründer und CEO von ENERGY MICRO. Wer Geir Forre kennt, weiß, dass hinter dieser Aussage mehr als nur Marketing steckt. Immerhin war er auch Gründer von Chipcon und ab 1996 deren CEO, bevor er das Unternehmen 2006 für rund 200 Mio. Dollar an Texas Instruments verkaufte. Und auch mit der 2007 gegründeten ENERGY MICRO hat er Großes vor: „Bis 2017 wollen wir auf einen Marktanteil von 1 Prozent kommen, was dann einem Umsatz von 300 Mio. Dollar entsprechen würde.! Analysiert man die Markteinschätzung von Geir Forre genauer, dann könnte ENERGY MICRO mit den energiesparenden Controllern bis 2017 auf einen Marktanteil von 10 Prozent kommen, auch wenn Forre das so explizit nicht formulieren würde.
Die erste Familie der neuen Controller hat ENERGY MICRO auf den Namen Gecko getauft. Die Idee war laut Forre naheliegend, denn Reptilien wie der Gecko nehmen nur 10 Prozent der Energie von Säugetieren auf. Der bekanntermaßen sehr genügsame ARM-Cortex-M3-Kern ist einer der Gründe, warum der neue Controller des norwegischen Herstellers so sparsam ist, bei Weitem aber nicht der einzige.

ENERGY MICRO hat den Controller mit einer Reihe von Peripheriefunktionen ausgestattet, die sich durch ihre geringe Leistungsaufnahme auszeichnen. Besonders stolz ist Forre auf den LCD-Controller (4 x 40 Segmente) mit integriertem Aufwärtswandler. Kontrast, Segment Blink und Animationen können die Anwender konfigurieren. Dabei nimmt der Controller im Betrieb nur 550nA auf, »weniger als die LCD-Controller in Uhrenchips«, so Forre. Der 12-Bit-A/D-Wandler gibt sich bei einer Wandelrate von 1 MSPS mit 200µA zufrieden, bei einer Wandelrate von 1 kSPS und einer Auflösung von 6Bit genügen 0,5µA. Der integrierte Temperatursensor erreicht eine Genauigkeit von 1°C. Der Brown-Out-Detector verbraucht 100nA. Der 32-kHz-Real-Time-Counter läuft mit 50nA, der Low Energy UART benötigt 100nA bei einer Übertragungsrate von 9600Bit/s.
Wenn der Controller 0,5% der Zeit im aktiven Modus arbeitet und die Aufweckintervalle bei 40ms liegen, dann kann ein einzige 3-V-Lithium-Zelle (CR-2032) den Controller theoretisch über einen Zeitraum von nicht weniger als 14 Jahren mit Energie versorgen. Theoretisch ist dieser Wert deshalb, weil eine derartige Batterie kaum länger als zehn Jahre lebt. Zum Vergleich: Dieselbe Batterie würde den PIC24 von Microchip und den MSP430 von Texas Instruments knapp dreieinhalb Jahre versorgen können. Der C8051 von Silicon Labs und der AVR von Atmel kämen auf knapp zwei Jahre, der STM32 von STMi-croelectronics könnte damit 1,2 Jahre arbeiten, die Typen LPC1100 und LPC1300 von NXP knapp unter einem Jahr.

Neben den Energie sparenden Einzelfunktionen trägt das vom 32-Bit-Bus unabhängige Peripheral-Reflex-System entscheidend zur geringen Leistungsaufnahme des Controllers bei. So können Peripheriefunktionen im Bedarfsfall ein- und ausgeschaltet werden, ohne, dass der ARM-Kern aktiv werden muss. Die Energy-Management-Einheit kann die seriellen Interfaces (USART, Low-Energy-UART, l2C), die I/O-Ports, die Timer und Trigger und die analogen Funktionen (A/D-und D/A-Wandler, Timer und Watchdog) direkt steuern.

Insgesamt kann der Controller in fünf verschiedenen Betriebsmodi arbeiten. Den mit 180µA pro MHz höchsten Strom nimmt der Controller im aktiven Modus auf, in dem alle Funktionen aktiviert sind. Eine Ebene darunter (Sleep-Mode) ist der ARM-Core abgeschaltet, aktiv sind der Flash-Programm-Speicher, RAM, DMA, das Clock-Management, die Energy-Management- und die Peripheriefunktionen. In den weiteren drei Schlafmodi – Deep Sleep-Mode EM2 (RTC, POR und RAM-Datenerhalt aktiv): 0,9µA, Stop Mode EM3 (Power on Reset und RAM Datenerhalt): 0,6µA, Shut off Mode EM4: 20nA - werden sukzessive die übrigen Funktionen abgeschaltet, bis im Shut-Off-Modus nur noch Power-on-Reset und Pin-Reset aktiv sind. Die geringe Aufweckzeit von 2µs gilt beim zweiten und dritten Schalfmodus, hier fällt die kurze Zeit besonders ins Gewicht, weil zwischen diesen Modi in den meisten Anwendungen besonders häufig hin- und hergeschaltet wird. »Es kommt nicht darauf an, nur eine niedrige Leistungsaufnahme zu erreichen, sondern eine niedrige Leistungsaufnahme über die Zeit. Deshalb sprechen wir immer nur von Low Energy«, erklärt Førre.
Für die Entwicklung hat ENERGY MICRO ein Development-Kit im Programm, das mit einem Energy-Monitor ausgestattet ist: Auf einem 320 x 240-Pixel-RGB-LCD kann der Entwickler die Leistungsaufnahme in Echtzeit verfolgen und sie so auf die jeweiligen Einsatzbedingungen hin optimieren. »Das ist ein sehr mächtiges Werkzeug, das es in dieser Form bisher noch nicht gibt«, so Forre.
Bald ist auch ein günstiges Starter-Kit verfügbar. Bei diesem wird es möglich sein, die aktuelle Leistungsaufnahme am PC darzustellen.

ENERGY MICRO hat bereits insgesamt 22 Varianten des EFM32G auf dem Markt. Die Controller arbeiten über einen Temperaturbereich von -40°C bis +85 °C und sitzen in QFN32-, QFN64-, QFP100- und BGA12-Gehäusen. Es stehen Versionen mit Flash-Speichern von 16 bis 128KByte und RAM von 8 bis 16KByte zur Verfügung.

Für heuer ist bereits einen weitere Familie, die Tiny Gecko Familie, angekündigt. Hier wird die energiesparende Technologie von ENERGY MICRO in noch kleineren Gehäusen gekoppelt mit kleineren Speichergrößen transferiert. ENERGY MICRO besinnt sich auch wieder seinen Wurzeln und entwickelt bereits an RF Chips die um einiges energiesparender sein werden als alle derzeit erhältlichen RF Lösungen.

Für weitere Informationen stehen wir Ihnen jederzeit zur Verfügung.

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