Energieverbrauch messen und validieren¶

Eine Schätzung der Akkulaufzeit ist erst belastbar, wenn ihre Annahmen durch Messungen an der realen Hardware bestätigt werden. Nutzen Sie diese Seite zusammen mit dem Überblick zum Energiespardesign und der Stromverbrauchsanalyse einer Smartwatch. Messen Sie zunächst die einzelnen Komponenten, prüfen Sie anschließend vollständige Firmware-Szenarien und gleichen Sie das Tagesnutzungsmodell mit den Messwerten ab. Optimiert wird danach der größte nachgewiesene Energieverbraucher.

Energie statt nur Stromstärke messen¶

Die Stromstärke allein beschreibt den Energieverbrauch nicht vollständig. Erfassen Sie die Spannung am Prüfling (DUT, V_DUT) zeitgleich mit dem Stromverlauf, damit sich neben der transportierten Ladung auch die Momentanleistung und die Energie berechnen lassen:

power_W(t) = voltage_V(t) x current_A(t)
energy_Wh = integral(power_W(t) dt) / 3600
energy_mWh = energy_Wh x 1000
charge_mAh = integral(current_mA(t) dt) / 3600

Dabei wird t in Sekunden angegeben. Der Faktor 3600 rechnet Sekunden in Stunden um; verwenden Sie für die Leistungsberechnung Strom in A und für die Ladungsberechnung Strom in mA.

Das Energieintegral wird in Wh angegeben. Multiplizieren Sie den Wert mit 1000, bevor Sie ihn zu einem in mWh geführten Profil addieren. Ladung (mAh) und Energie (mWh) sind unterschiedliche Größen und nicht austauschbar.

Bleibt die Versorgungsspannung stabil, protokollieren Sie den gemessenen Wert von V_DUT für den jeweiligen Messlauf und werten Sie ihn zusammen mit dem Stromverlauf aus. Ändert sich die Spannung während des Tests, erfassen Sie sie auf derselben Zeitbasis wie den Strom oder nehmen Sie genügend synchronisierte Messpunkte auf, um eine verlässliche mittlere Leistung zu berechnen. Ein Vergleich allein anhand von mAh kann reale Energieunterschiede verschleiern, wenn Versorgungsspannung, Arbeitspunkt des Reglers oder Akkuzustand zwischen den Messläufen variieren.

Messaufbau und Referenzbedingungen festlegen¶

Verwenden Sie das Power Profiler Kit II (PPK2) von Nordic als Referenzgerät für Strommessungen. Im Source-Meter-Modus versorgt es den Prüfling; im Ampere-Meter-Modus wird das PPK2 zur Strommessung zwischen Prüfling und externer Stromversorgung in Reihe geschaltet. Behandeln Sie im Source-Meter-Modus die eingestellte Ausgangsspannung als kontrollierte Prüfbedingung. Messen und protokollieren Sie im Ampere-Meter-Modus die externe Versorgungsspannung direkt am Prüfling. Halten Sie in beiden Fällen die tatsächlich anliegende Spannung fest, nicht nur den Nennwert des Akkus oder die Einstellung des Labornetzteils.

Das PPK2 liefert den Stromverlauf, die kumulierte Ladung und exportierbare Messdaten. Der Logikanschluss bietet die Digitaleingänge D0–D7 sowie VCC- und GND-Anschlüsse für den Prüfling. Verbinden Sie VCC und GND mit der Logikversorgung und der gemeinsamen Masse des Prüflings und schließen Sie die GPIO-Marker an D0–D7 an. Die VCC des Logikanschlusses muss im von Nordic angegebenen Bereich von 1,65–5,5 V liegen; prüfen Sie außerdem, ob die Pegel der Markersignale kompatibel sind. Die Digitaleingänge werden mit 100 kHz abgetastet und haben eine typische Bandbreite von 50 kHz. Sehr kurze Phasen lassen sich daher möglicherweise nicht zuverlässig auflösen. Weitere Angaben finden Sie in der Nordic-Dokumentation zu Anschlüssen, Versorgungsspezifikationen und Auflösung der Digitaleingänge. Setzen Sie GPIO-Marker für wichtige Abläufe wie Aufwachen, Display-Aktualisierung, Funkübertragung, Sensorabtastung und Rückkehr in den Schlafmodus. Der offizielle PPK2-Benutzerleitfaden beschreibt die unterstützten Betriebsarten und Anschlussbedingungen.

Lassen Sie den USB-Daten-/Stromversorgungsanschluss des PPK2 während des Betriebs angeschlossen, wie von Nordic vorgeschrieben. Die zusätzliche USB-Versorgung für höhere Lasten im Source-Meter-Modus ist davon getrennt und wird weiter unten beschrieben.

Prüfen Sie vor dem Anschließen des Prüflings, ob der gewählte PPK2-Modus dessen Spannung und Spitzenstrom unterstützt. Nordic gibt für den Prüfling einen Spannungsbereich von 0,8–5,0 V an. Der zulässige Dauerstrom beträgt im Ampere-Meter-Modus 1 A; im Source-Meter-Modus liegt der maximale Prüflingsstrom bei 600 mA. Zieht der Prüfling im Source-Meter-Modus mehr als 400 mA, empfiehlt Nordic eine zusätzliche, für mindestens 1 A ausgelegte USB-Versorgung für das PPK2. Einzelheiten finden Sie in der Nordic-Spezifikation zum maximal zulässigen Prüflingsstrom und in den Hinweisen zur Stromversorgung. Dies sind Grenzen des Messgeräts, keine empfohlenen Betriebswerte des Produkts. Verwenden Sie für Messungen außerhalb des unterstützten Bereichs passend ausgelegte Messgeräte.

Jede Komponente vor Gesamtsystemtests charakterisieren¶

Messen Sie die einzelnen Komponenten zunächst an einer separat messbaren Versorgungsschiene oder mit einem geeigneten Prüfaufbau, bevor Sie die Gesamtmessung der Platine auswerten. Ziel ist kein weiterer Katalogwert, sondern die Frage, welche Betriebsarten, Lasten und Firmware-Einstellungen den Energieverbrauch der jeweiligen Komponente im realen Produkt bestimmen.

Wenn es um den Energieverbrauch des gesamten Produkts geht, messen Sie am Akkueingang. Messungen einzelner Versorgungsschienen sind für die Fehlersuche weiterhin wichtig. Rechnen Sie sie jedoch vor der Übernahme in das Akkulaufzeitmodell mithilfe des gemessenen Wirkungsgrads und Ruhestroms der Regler auf die Akkuseite um. Die Summe der Schienenströme ist nicht mit dem Strom am Akkueingang gleichzusetzen.

Durch Treiber gesteuerte Energiesparzustände überprüfen¶

Eine Komponente erreicht den spezifizierten Energiesparzustand nur, wenn ihr Treiber die dokumentierten Einstellungen und Abläufe korrekt umsetzt. Auch ein funktionierender Treiber kann unnötig Strom verbrauchen, etwa wenn er ein Enable-Signal aktiv lässt, den falschen Bereitschaftsbefehl sendet, Takt oder Bus nicht abschaltet oder Versorgungs-, Reset- und Schnittstellensignale in der falschen Reihenfolge schaltet. Bilden Sie für jeden vorgesehenen Zustand die Bedingungen aus dem Datenblatt in der Firmware nach. Prüfen Sie anschließend, ob die gemessenen Werte für Strom, Spannung, Ladung und Energie der geltenden Spezifikation oder einem für das Produkt validierten Betriebspunkt entsprechen.

Gültige Logikpegel schließen Leckströme nicht aus. Interne Pull-Widerstände, widersprüchliche Pull-Konfigurationen, Vorgabewerte nach einem Reset, ESD-Pfade und Bus-Pull-ups können Leck- oder Rückspeisepfade bilden, obwohl an beiden Seiten der Schnittstelle scheinbar gültige Logikpegel anliegen. Messen Sie den Schnittstellenstrom, wenn beide Seiten versorgt sind, wenn eine Seite unversorgt ist und während des Übergangs zwischen diesen Zuständen. Weicht das Ergebnis von der Erwartung ab, prüfen Sie zuerst, ob eine falsche Treiberkonfiguration oder Schaltfolge oder ein Leckpfad auf der Platine die Ursache ist. Ändern Sie nicht vorschnell die Werte in der Energieprofiltabelle.

Firmware-Szenarien validieren¶

Nachdem das Verhalten der einzelnen Komponenten bekannt ist, messen Sie vollständige Firmware-Szenarien aus der Nutzungsperspektive. Ein Szenario umfasst die gleichzeitig aktiven Komponenten, Energieverwaltungszustände, Aufwachvorgänge und Zeitabläufe. Beginnen Sie bei einer Smartwatch mit den Szenarien aus der Stromverbrauchsanalyse einer Smartwatch: Bereitschaft bei ausgeschaltetem Display, Benachrichtigungen, Anrufmeldungen, Displayaktivierung beim Anheben des Handgelenks, automatische Herzfrequenzmessung, manuelle SpO2-Messung, Trainingsaufzeichnung, Alarme, Schlafüberwachung und App-Synchronisierung. Sind NFC, Bluetooth-Telefonie oder AOD aktiviert, ergänzen Sie diese als eigene Szenarien.

Teilen Sie den Stromverlauf mithilfe von Firmware-gesteuerten GPIO-Markern in Phasen auf. Eine Messung beim Anheben des Handgelenks kann beispielsweise Gestenerkennung, MCU-Aufwachen, Displayaktivierung und -darstellung, Einschaltdauer des Displays, Abdunkeln oder Ausschalten sowie die Rückkehr in den Schlafmodus sichtbar machen. So wird aus einem einzelnen Mittelwert eine Folge konkreter Vorgänge, die sich gezielt durch Firmware- und Hardwareteams optimieren lässt.

Das Tagesnutzungsprofil abgleichen¶

Die abschließende Prüfung darf nicht aus einer Sammlung isolierter Best-Case-Messungen bestehen. Erstellen Sie anhand der gemessenen Energie je Szenario und dessen tatsächlicher Häufigkeit ein repräsentatives Tagesprofil – durch einen realen Test oder rechnerische Rekonstruktion. Vergleichen Sie die Messwerte sowohl für die Ladung als auch für die Energie mit der Profiltabelle:

daily_charge_mAh = sum(occurrences_per_day x charge_per_occurrence_mAh)
daily_energy_mWh = sum(occurrences_per_day x energy_per_occurrence_mWh)

flowchart LR
    A["Versorgungsschienen und Bereitschaftszustände der Komponenten messen"] --> B["Vollständige Firmware-Szenarien messen"]
    B --> C["Tägliche Ladungsmenge und Energie aus realer Nutzung berechnen"]
    C --> D["Messwerte mit der Profiltabelle vergleichen"]
    D --> E{"Erklärt das Modell den Messverlauf?"}
    E -- "Nein" --> F["Fehlende Komponenten, falsche Zeitannahmen, einen unpassenden Energieverwaltungszustand oder eine unzutreffende Spannungsannahme ermitteln"]
    F --> G["Firmware, Hardware oder anhand von Messungen belegte Tabelleneingaben korrigieren"]
    G --> A
    E -- "Ja" --> H["Bestätigte Verbraucher priorisieren und den größten optimieren"]

Weichen Messung und Modell voneinander ab, verändern Sie die Tabelle nicht einfach, um eine Übereinstimmung zu erzwingen. Suchen Sie nach einer überprüfbaren Ursache: einer nicht erfassten Last, einem falschen Tastverhältnis, einer unzutreffenden Annahme zu Reglerverlusten, einem unbeabsichtigten Aufwachen, einer aktiv gebliebenen Komponente oder einer Messgrenze, die nicht zum Modell passt. Aktualisieren Sie die Tabelle erst, wenn die Ursache durch korrigierte Hardware- oder Firmware-Messungen belegt ist. Legen Sie vor der Freigabe ein ausdrückliches, produktspezifisches Toleranzkriterium fest. Der zulässige Fehler hängt von der angegebenen Akkulaufzeit, dem Betriebsbereich und der verbleibenden Unsicherheit ab.

Die größten nachgewiesenen Energieverbraucher optimieren¶

Nutzen Sie das abgeglichene Profil, um die wirksamsten Optimierungen zu priorisieren. Unterscheiden Sie dabei zwei Fragen: Welche Komponente verbraucht am meisten Energie, und welches Nutzungsszenario trägt am stärksten zum Gesamtverbrauch des Produkts bei? Die Antworten können unterschiedlich sein. Das Display kann die verbrauchsstärkste Komponente sein, während häufiges Einschalten beim Anheben des Handgelenks das maßgebliche Szenario darstellt.

1. Firmware zuerst optimieren, wenn das Verhalten den Verbrauch verursacht. Vermeiden Sie unnötige Aufwachvorgänge und Abfragen, bündeln Sie Aufgaben, verkürzen Sie die Display-Einschaltdauer, vermeiden Sie überflüssige Neuzeichnungen, heben Sie Sperren der Energieverwaltung zeitnah auf und reduzieren Sie das Tastverhältnis von Sensoren oder Funk, ohne die Produktanforderungen zu verletzen.
2. Hardware optimieren, wenn eine Komponente nachweislich begrenzt. Wählen Sie gegebenenfalls sparsamere Sensoren, Speicher, Regler, Codecs, Verstärker, Displays oder Haptikkomponenten. Vergleichen Sie die gemessene Energie im vorgesehenen Betriebsmodus, nicht einen hervorgehobenen Datenblattwert aus einem anderen Betriebszustand.
3. Geänderte Komponente und Szenario erneut messen. Ein Austausch kann den größten Verbraucher verlagern, Aufwachzeiten verändern oder einen anderen Arbeitspunkt des Reglers erfordern.
4. Profil aktualisieren und den Tagesvergleich wiederholen. Die Änderung gilt erst dann als bestätigt, wenn sich sowohl der Szenarioverlauf als auch das Energiebudget des Gesamtprodukts verbessern.

Nachweise für die Freigabe¶

Bevor Sie Angaben zur Akkulaufzeit veröffentlichen, archivieren Sie die Messdaten der Komponenten und Szenarien, das Tagesnutzungsprofil, die Spannungsaufzeichnungen, Firmware-Marker sowie die versionierten Annahmen, die diese Daten verbinden. Wiederholen Sie die betroffenen Schritte, wenn sich Firmware-Zeitplanung, Displaysteuerung, Funkparameter, Sensorabtastrate, Komponenten der Stromversorgung oder Annahmen zur Produktnutzung ändern.

Zuletzt aktualisiert: 2026-10-12