Energieeffizienz für serielle Inter-Chip-Kommunikation mit kommerziellen drahtlosen Sensoren

Das IMMS wurde am 12.12.2023 im Wettbewerb der Erfindermesse iENA zur Thüringer Auszeichnungsveranstaltung des PATON – Landespatentzentrum Thüringen an der Technischen Universität Ilmenau für die Entwicklung „Schaltungsanordnung zur Bereitstellung der Ladeenergie für einen Pegelwechsel auf einem Signalbus, Verfahren zur Kalibrierung und Signalübertragungssystem“ mit einer Silbermedaille geehrt. Ende Oktober hatte das PATON stellvertretend für die Erfinder Georg Gläser und Benjamin Saft die Arbeit auf der iENA in Nürnberg in den Wettbewerb eingebracht. Mit dem Latch-basierten aktiven Ultra-Low-Power-Pull-Up-Emulator lassen sich kommerzielle Sensoren leichter für neue Anwendungen nutzen: Aktive drahtlose Sensoren, wie z.B. Zigbee-Sensoren, können länger per Batterie genutzt werden. Passive drahtlose Sensoren ohne eigene Batterieversorgung, z.B. RFID-Sensoren, können mit größerer Reichweite arbeiten. Die Schaltung ist generell für unterschiedliche Bussysteme und beliebige Signalfrequenzen geeignet. Für die am Bus angeschalteten herkömmlichen Systemkomponenten sind keine Anpassungen erforderlich. Daher lässt sich die Schaltung leicht in herkömmliche Bussysteme integrieren.

Standardisierte Kommunikationsprotokolle zwischen verschiedenen Elektronikchips sind eine Grundvoraussetzung für den Aufbau moderner Elektroniksysteme. Etablierte Protokolle, die von den meisten kommerziellen Chips unterstützt werden, gehen häufig mit einem relativ hohen Energiebedarf während der Kommunikation einher.

Die Signalübertragung zwischen elektronischen Systemkomponenten wird häufig über einen seriellen Signalbus abgewickelt. Dabei werden unterschiedliche Kommunikationsprotokolle eingesetzt, wie z.B. SMBus, I2C, 1-wire oder SPI. Viele dieser Protokolle benötigen Pull-Up-Widerstände, die einen definierten High-Pegel auf dem Signalbus schaffen, der zur Signalisierung auf Low-Pegel gezogen werden kann. Der dabei andauernde Stromfluss über die Pull-Up-Widerstände trägt wesentlich zum Energieverbrauch bei, wenn solche Signalbusse in Ultra-Low-Power- und batteriebetriebenen Systemen eingesetzt werden, wie z.B. in RFID-Sensor-Transpondern.

Im neuartigen Schaltungskonzept wird auf Pull-Up-Widerstände verzichtet und die Ladeenergie für einen für Signalübertragungen notwendigen Pegelwechsel durch einen aktiven Pull-Up-Emulator sehr energieeffizient bereitstellt.

„Ein permanenter Stromfluss über Pull-Up-Widerstände ist während einer Pull-Down-Phase mit unserer Lösung nicht notwendig“, erklärt Georg Gläser, Team Lead Digital IC Design and Design Methology am IMMS. „Anstelle von Pull-Up-Widerständen verwenden wir Latches als Zustandsspeicher, Schalter und eine Logikschaltung, die diese Schalter steuert. Während des Pull-Downs durch einen Kommunikationsteilnehmer werden die Latches mit definierten kleinen Ladungsmengen versucht zurückzusetzen – und zwar periodisch statt permanent und das so lange, bis der Pull-Up erfolgreich war. Die dafür benötigte Energie ist um Vielfaches kleiner als bei Pull-Up-Widerständen.“ Durch das neue Schaltungskonzept kann der Energiebedarf eines aktiven oder passiven Sensorsystems aus kommerziellen Sensoren und Auswerteelektronik verringert werden. Damit lässt sich die Betriebsdauer batteriebetriebener Systeme verlängern bzw. die Anwendbarkeit der Protokolle auf alternative Versorgungskonzepte wie z.B. Energy-Harvesting erweitern.

Deutsches Patent: DE 10 2016 119 927 B4, IP verfügbar, Patentanmelder/-inhaber: IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS GmbH), Erfinder: Georg Gläser, Benjamin Saft