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Systementwicklung

Wie Autos dank Mikrocontroller immer schadstoffärmer werden

| Autor / Redakteur: Markus Vomfelde * / Thomas Kuther

Renesas geht mit seiner neuen Controllerfamilie noch einen Schritt weiter: Mit der RH850/F1x-Serie wurde ein ganzheitliches Konzept zur Steigerung der Energieeffizienz für Mikrocontroller realisiert und dabei zusätzlich noch besonderer Wert auf die Reduktion der Systemkosten gelegt.

40-nm-Flash-Technologie reduziert die Stromaufnahme

Die Basis für alle neuen RH850-Controller-Familien ist die 40-nm-Flash-Technologie. Bei der Entwicklung dieser Technologie stand eine Reduzierung des Betriebsstroms im Vordergrund (Bild 1). Gleichzeitig konnte der Leckstrom im Vergleich zu vorhandenen Technologien um den Faktor 10 verringert werden. Diese Maßnahmen sorgen dafür, dass der Maximalstrom für einen 80-MHz Controller bei 125° C nicht größer als 60 mA wird. Vergleichbare Produkte im Markt benötigen hier fast 2,5 mal so viel Strom.

Bei einer solchen Reduktion der maximalen Stromaufnahme bringt der Einsatz von DC-DC-Wandlern keinen entscheidenden Vorteil für die Gesamtverlustleistung des Systems und man kann wieder auf eine Lösung basierend auf Linerarreglern zurückgreifen. Damit lassen sich die Systemkosten entscheidend herabsetzen.

Flexible Leistungsanpassung im Betrieb

Um den Strom im aktiven Betrieb weiter zu reduzieren, verfügen die Controller der RH850/F1x-Serie über eine Vielzahl von Power-Modi, die es erlauben, den Verbrauch für unterschiedliche Situationen zu optimieren und dem Leistungsbedarf anzupassen. Darüber hinaus ist die Taktversorgung des CPU-Cores so implementiert, dass dieser sich performanceabhängig in nur einem Takt herauf- oder heruntersetzen lässt. Da dieses Taktsignal ausschließlich für die CPU zum Einsatz kommt, behalten alle Peripherieelemente ihre volle Funktion bei und müssen nicht umkonfiguriert werden. Damit lässt sich eine echte Leistungsskalierung sehr einfach in Software realisieren. Die Leistungsaufnahme für den Controller kann dabei während des Betriebs mit nur einem Befehl um bis zu 70% reduziert werden. Gleichzeitig steht jedoch die volle Performance des Controllers bei Bedarf auch sofort wieder zur Verfügung.

Hardware Support für Partial- und Pretended-Networking

In einem Fahrzeug sind während der Fahrt viele Elektronikmodule aktiv, obwohl sie eigentlich nicht wirklich arbeiten müssten. Als einfachstes Beispiel ist hier ein Modul für die Stromversorgung des Anhängers zu nennen, welches mit Strom versorgt wird, auch wenn gar kein Anhänger am Fahrzeug angekoppelt ist.

Aber auch Module für die Sitzverstellung oder zum Öffnen der Fenster kommen während der Fahrt vergleichsweise selten zum Einsatz. Der Verbrauch für solche Module, die nur in Bereitschaft sind, summiert sich im gesamten Fahrzeug schnell auf über 200 W und hat damit auch einen nicht zu vernachlässigenden Anteil am Kraftstoffverbrauch und damit am CO2-Ausstoß.

Um diese Leistungsaufnahme zu reduzieren, hat die Automobilindustrie Netzwerklösungen entwickelt, um die Geräte in einen Ruhezustand zu versetzen. In diesem Ruhezustand wird der Stromverbrauch stark reduziert gleichzeitig aber die Einsatzbereitschaft im Fahrzeug aufrechterhalten. Dabei gibt es zwei unterschiedliche Vorgehensweisen (Bild 2).

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Bei der ersten Lösung entscheidet jedes Modul für sich, abhängig vom Betriebszustand des Fahrzeugs, wann es in einen Ruhezustand geht und bei welcher Bedingung es wieder in den vollen Betriebsmodus schaltet. Bei dieser als Pretended Networking beschriebenen Methode ist es notwendig, dass jedes Modul ohne Verzögerung auf Nachrichten aus dem Fahrzeugbus reagieren kann. Damit ist das Einsparpotential für diese Lösung begrenzt.

Die zweite Methode, das Partial Networking, arbeitet nach dem umgekehrten Prinzip. Hier entscheidet ein zentrales Steuergerät im Fahrzeug, welche Module in den Ruhezustand gehen und weckt diese dann bei Bedarf wieder auf. Hierbei ist die Möglichkeit zur Stromeinsparung größer, aber die Zeiten für das Verlassen des Ruhezustandes sind deutlich länger. Dadurch ist die Gesamtzeit eingeschränkt, in denen ein Modul in den Ruhezustand versetzt werden kann. Zwei weitere Nachteile dieser Methode sind auch, dass dafür alle Steuergeräte im Fahrzeug auf einmal umgerüstet werden müssen. Eine schrittweise Umrüstung ist nicht möglich. Außerdem kann die Weckbereitschaft am Fahrzeugbus nur mit speziellen, teuren Transceivern realisiert werden.

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