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Leistungsanalyse: Batterielaufzeiten zuverlässig vorhersagen

Ein dedizierter Leistungsanalysator ermöglicht es Entwicklern, wichtige Signaleigenschaften zu erkennen und die dynamische Leistungsaufnahme ihrer Produkte umfassend zu analysieren. Damit können sie auch deren Batterielaufzeit gezielt maximieren.

Keysight Bildquelle: © Pixabay

Nach Angaben der Deutschen Herzstiftung werden in Deutschland pro Jahr mehr als 65.000 Herzschrittmacher implantiert, Tendenz steigend.

Für den Schweden Arne Larsson scheint das Leben im Herbst 1958 fast vorbei – mit nur 43 Jahren. Er leidet an Herzrhythmusstörungen: 28 Schläge pro Minute schafft sein Herz noch, er verliert ständig das Bewusstsein und muss täglich 20 bis 30 Mal wiederbelebt werden. Eine Chance auf Heilung besteht kaum. Doch seine Frau Else-Marie will sich mit dem bevorstehenden Schicksal ihres Mannes nicht abfinden. Aus der Zeitung erfährt sie, dass der Kardiologe Prof. Åke Senning im Karolinska Hospital in Stockholm gemeinsam mit dem Arzt und Ingenieur Dr. Rune Elmqvist an der Entwicklung eines implantierbaren Herzschrittmachers arbeitet. Larsson ist überzeugt, dass dies die Rettung für ihren Mann ist, obwohl die Experimente bis dahin nur mit Tieren gemacht wurden und eigentlich kein geeignetes Gerät für einen Menschen zur Verfügung steht. Dank der unermüdlichen Überzeugungskraft seiner Frau wird Arne Larsson am 8. Oktober 1958 in einer geheim durchgeführten Notoperation sein erster Herzschrittmacher implantiert (Bild 1). 

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Bild 1. Erster implantierbarer Herzschrittmacher.

Seitdem hat die Technik bei Schrittmachern große Fortschritte gemacht. Moderne Geräte können sich auf die körperliche Beanspruchung ihres Trägers einstellen und den Herzschlag daran anpassen. Sie speichern Informationen über den Herzrhythmus, die der Arzt bei der Schrittmacherkontrolle abfragen kann. Neue Entwicklungen gehen dahin, dass Schrittmacherdaten auch per Telefon von zuhause aus an den Arzt weitergeleitet werden können. Auch die Funktionsdauer hat sich deutlich verbessert. Musste das erste Modell schon nach wenigen Stunden ausgetauscht werden, halten heutige Batterien meist Jahre – abhängig von der Beanspruchung. Spätestens nach zehn Jahren müssen sie jedoch ausgewechselt werden. Die Operation ist nicht nur kostspielig, sondern stellt für den Patienten wie jeder chirurgische Eingriff ein Risiko dar.

Eine lange und vorhersagbare Batterielaufzeit ist jedoch nicht nur für Herzschrittmacher von entscheidender Bedeutung. Im heutigen Digitalzeitalter gibt es immer mehr drahtlose medizinische Geräte und Healthcare-Produkte. Umso wichtiger ist es, den Strombedarf dieser Geräte zu kontrollieren und zu minimieren. Energieeffizienz ist dabei ein weit gefasster Begriff, der von längeren Betterielaufzeiten (weniger häufiges Aufladen oder Wechseln der Batterien) bis zur Selbstversorgung durch Energy Harvesting reicht. Eine genaue und verlässliche Leistungsanalyse ist unabdingbar, da suboptimales Schaltungsdesign zu Problemen führen kann – kurze Batterielaufzeit, unerwartete Stromspitzen oder Fehlfunktionen des Endprodukts –, die Entwickler im besten Fall von Anfang an vermeiden.

Bevor die jedoch damit beginnen können, die Laufzeit zu optimieren oder die Energie-Aufnahme zu reduzieren, müssen zunächst das Gerät, seine Funktionsblöcke und die Batterie charakterisiert werden, unabhängig voneinander oder in Kombination. Beispielsweise müssen Entwickler erfassen, über welche Zeiträume das Gerät bei welchen Aktivitäten und in welchen Betriebszuständen wieviel Strom aufnimmt. Auch die Übergänge zwischen den Zuständen müssen charakterisiert werden. Im Ideal­fall haben sie eine Testlösung zur Hand, mit der sie das komplette Stromaufnahmeprofil kontinuierlich in einem einzigen Messdurchgang erfassen. 

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Bild 2. Betriebsstromprofil Blutdruckmessgerätes »Blip«: (1) die Betriebsspannung wird angelegt; (2) das Gerät wartet auf eine Benutzereingabe; (3) die Blutdruckmanschette wird aufgeblasen; (4) während des Luftablassens aus der Manschette wird der Blutdruck gemessen; (5) die Blutdruckmessdaten werden via WLAN ins Internet übertragen; 6) das Ergebnis wird angezeigt, danach geht das Gerät wieder in den Sleep-Zustand über.

Energiebedarf besser verstehen

Während die Betriebsspannung relativ konstant bleibt, schwankt die Stromaufnahme mobiler Geräte über weite Bereiche. Zwischen Sleep-Modus und Sendebetrieb kann diese um vier bis fünf Größenordnungen variieren – je nachdem, wie wenig Strom das Gerät im Sleep/Idle-Modus aufnimmt und wie viel bei voller Sendeleistung. Um den Energiebedarf des Geräts besser zu verstehen, ist es wichtig, die dynamischen Stromänderungen messen zu können. Wearables wie Smartwatches, Kopfhörer oder elektronische Brustpflaster enthalten Bauteile, die auf extrem geringen Strombedarf optimiert wurden, hier zählt jedes Mikroampere. Entwickler müssen deshalb in der Lage sein, winzige Ströme im Sub-Mikro­ampere-Bereich genau und hochauflösend zu messen. Um Energie einzusparen, verbringen mobile Geräte so viel Zeit wie möglich im Standby-Modus oder in einem ähnlichen Energiesparmodus. Um die pulsierenden Stromaufnahme sowie die Übergangszustände zu charakterisieren, bedarf es einer ausreichenden Messbandbreite. Große Bandbreite korreliert mit hoher Geschwindigkeit, daher benötigt man für die Analyse schnell veränderlicher Signale mit großem Scheitelfaktor plus Vor- und Überschwingern ein Messgerät mit entsprechend großer Bandbreite.

Typische Messgeräte wie zum Beispiel Digitalmultimeter (DMM) oder Oszilloskope mit Shunt-Widerstand (Nebenschlusswiderstand) sind für die oben beschriebenen Messaufgaben ungeeignet. Beide unterliegen Beschränkungen, die zu Messfehlern und Fehlinterpretation der Ergebnisse führen können. Messfehler durch Verwendung ungeeigneter Messgeräte können unter Umständen so groß sein, dass ein Produkt bei der Charakterisierung keine Auffälligkeiten zeigt, aber in der Praxis nicht richtig funktioniert oder vor dem Ende seiner erwarteten Lebensdauer ausfällt. Eine genaue Charakterisierung und Analyse des dynamischen Stromprofils des Designs ist unverzichtbar und hat gleich mehrere Vorteile: Bereits bei der Abwägung zwischen Gerätefunktionalität, Batterielaufzeit und Kosten können Entwickler wichtige Entscheidungen treffen. Sie können außerdem schneller über notwendige Design-Iterationen entscheiden und vermeiden es, den Energiebedarf ihres Produkts zu unterschätzen oder die Energieeffizienz zu überschätzen. Das wiederum trägt zu einer höheren Betriebszuverlässigkeit bei.

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Bild 3. WiFi-Blutdruckmessgerät Blip: Der Benutzer benötigt kein Smartphone, um seine Messewerte hochzuladen.