Stromverbrauchsanalyse einer Smartwatch¶

Die Stromverbrauchsanalyse macht aus der erwarteten täglichen Nutzung eine Schätzung der Akkulaufzeit und, wichtiger noch, eine Rangliste der Lasten, die sich zu optimieren lohnen. Als durchgerechnetes Beispiel dient die bereitgestellte englische Arbeitsmappe mit den Leistungsprofildaten einer Smartwatch. Der Artikel zeigt, wie sich Nutzerverhalten in mAh pro Tag umrechnen lässt, welche Lasten das Budget dominieren und wie aus einem Tabellenmodell ein Messplan wird.

Nutzen Sie diese Seite zusammen mit der Low-Power-Übersicht für Architektur und Firmware-Hinweise und mit Energieverbrauch messen und validieren für den Messablauf, der das Modell validiert.

Überblick über das Smartwatch-System¶

Legen Sie zunächst die Modellgrenze fest. Diese Arbeitsmappe bildet eine akkubetriebene Smartwatch mit MCU, AMOLED-Display, Vibrationsmotor und einem nicht zugeordneten Lastbereich „Sonstiges“ ab. Sie nennt weder Panelgröße, Auflösung, Helligkeitseinstellung, Funkarchitektur noch einzelne Sensoren. Betrachten Sie die unten genannten Display-Ströme als Eingaben der Arbeitsmappe und nicht als gemessene Arbeitspunkte oder Spezifikationen eines bestimmten Panels. Betrachten Sie „Sonstiges“ als Modellgrenze und nicht als ein einzelnes physisches Bauteil.

Leistungsaufnahme je Szenario¶

Ein Szenario bildet ein vollständiges Nutzer- oder Systemereignis ab, nicht nur den Betrieb einer einzelnen Komponente. Eine Nachrichtenbenachrichtigung kann die MCU wecken, das AMOLED-Display einschalten, den Vibrationsmotor ansteuern und Hintergrundlasten aktiv halten. In der Quellmatrix bezieht sich jede Zeile Display auf das AMOLED-Display. Die Matrix hält die Komponentenzeilen jedes Szenarios zusammen und behält die berechneten Tageswerte zur Nachvollziehbarkeit bei. Die Häufigkeiten und Dauern hinter diesen Werten stehen weiter unten im Artikel im Tagesnutzungsprofil.

*Die Arbeitsmappe bezeichnet diese Spalte als „Wirkungsgrad der Leistungswandlung (%)“, aber ihre Formel ist nur ein Spannungsverhältnis und kein gemessener Reglerwirkungsgrad. Der Unterabschnitt „Annahme zur Wandlung in der Arbeitsmappe prüfen“ weiter unten erläutert die Folgen für die Akkulaufzeitschätzung. Die Werte für tägliche Ladung und Prozentanteile in dieser Tabelle sind aus der Arbeitsmappe gerundet; die genauen Formeln und Werte enthält die herunterladbare Datei. Legen Sie Prioritäten anhand der Ranglisten-Tabellen unten fest und kehren Sie zu dieser Matrix zurück, wenn Sie die Strom- oder Spannungsannahme hinter einem Beitrag prüfen müssen.

flowchart LR
    A["Tägliches Nutzerverhalten definieren"] --> B["Jeder Last Strom und Aktivzeit zuordnen"]
    B --> C["mAh pro Tag auf der Akkuseite summieren"]
    C --> D["Beiträge von Szenarien und Komponenten ordnen"]
    D --> E["Die größten Beiträge auf der Hardware messen"]
    E --> F["Annahmen aktualisieren und wiederholen"]
    F --> B

Ein Szenario in tägliche Ladung umrechnen¶

Für eine Last, deren Strom bereits am Akku angegeben ist, ist die tägliche Ladung einfach:

daily_charge_mAh = current_mA x active_time_seconds_per_day / 3600

Bei einer Last, die über einen Regler versorgt wird, berechnen Sie vor dem Zeitterm den Strom auf der Akkuseite:

battery_current_mA = (load_voltage_V x load_current_mA) /
                     (battery_voltage_V x regulator_efficiency)

Verwenden Sie den gemessenen Reglerwirkungsgrad beim vorgesehenen Laststrom. Die Angabe des Spitzenwirkungsgrads eines Reglers ist für eine Uhr, die einen Großteil des Tages bei geringer Last verbringt, selten nützlich.

Annahme zur Wandlung in der Arbeitsmappe prüfen¶

Die Spalte „Wirkungsgrad der Leistungswandlung (%)“ der Arbeitsmappe wird als load voltage / battery voltage berechnet. Ihre nachfolgende Ladungsformel teilt durch diesen Hilfswert und dann durch die Akkuspannung, sodass sich die Spannungsterme aufheben. Die resultierende tägliche Ladung ist schlicht Laststrom mal Zeit: Sie setzt den Akkustrom dem Laststrom gleich, statt eine ideale Leistungswandlung zu modellieren. Das ähnelt einem Linearregler ohne Ruhestrom; für einen Schaltregler ist es kein allgemeines Modell.

Beispielsweise zieht eine 1-mA-Last bei 3,3 V aus einem Akku mit 3,87 V über einen idealen Wandler etwa 0,853 mA; die Arbeitsmappe setzt dagegen 1 mA an. Bei einem realen Wandler hängen die Werte von Wirkungsgrad und Ruhestrom ab. Allein anhand der Wandlungsannahme lässt sich daher nicht beurteilen, ob die Akkulaufzeitschätzung der Arbeitsmappe zu optimistisch oder zu konservativ ist. Die Szenario-Rangfolge eignet sich für eine erste Prüfung der angegebenen Strom- und Zeitannahmen, ersetzt aber kein belastbares Energiebudget. Für ein Produktionsbudget ersetzen Sie den Hilfswert durch den gemessenen Wirkungsgrad je Versorgungsschiene und Lastbereich. Berücksichtigen Sie den Ruhestrom, ohne ihn doppelt zu zählen, falls er bereits in der Messung enthalten ist. Erfassen Sie außerdem Verluste durch Akkuschutz und Ladepfad.

Den Tagesverbrauch aus der Produktnutzung berechnen¶

Dasselbe Szenario kann je nach Produktnutzung vernachlässigbar oder dominant sein. Für die Beispielrechnung bildet die Arbeitsmappe einen repräsentativen Tagesablauf ab: Basis-Standby, Benachrichtigungen, Hinweise auf eingehende Anrufe, Raise-to-Wake, Herzfrequenz- und SpO2-Messungen, Trainingsaufzeichnung, Wecker, Schlafüberwachung und App-Synchronisierung. NFC, Bluetooth-Telefonie und beide AOD-Szenarien sind auf null gesetzt und daher nicht im Ergebnis von 13,15 Tagen enthalten.

Die leeren Szenariozellen in der Quellmatrix sind beabsichtigt: Auf jedes benannte Szenario folgen seine Lastzeilen für Display, Vibrationsmotor und Other. Diese Zeilen übernehmen Vorkommen und Dauer pro Tag aus der Szenariozeile darüber, sodass die Quelle jedes Szenario nur einmal benennt.

Die Szenario-Rangfolge des Modells ist aussagekräftiger als die endgültige Akkulaufzeit. Prüfen Sie die größten Beiträge zuerst auf konkretes Einsparpotenzial.

pie showData
    title Tägliche Ladung (mAh/Tag) je aktiviertem Szenario
    "Raise-to-Wake" : 4.9020
    "Benachrichtigungen" : 3.9996
    "Schlafüberwachung" : 2.3040
    "Training" : 2.1839
    "Standby" : 2.0679
    "Eingehende Anrufe" : 0.7999
    "Wecker" : 0.6910
    "Manuelle SpO2" : 0.3929
    "Automatische Herzfrequenz" : 0.2616
    "App-Synchronisierung" : 0.0800

Die ersten beiden Interaktionen mit eingeschaltetem Bildschirm machen etwa die Hälfte der modellierten täglichen Ladung aus. Das ist ein prüfbares Ergebnis und nicht bloß die generische Aussage, dass Displays Strom verbrauchen. Bevor Sie Aufwand in kleinere Lasten stecken, bestätigen Sie die tatsächliche Anzahl der Aktivierungen beim Anheben, die Display-Einschaltdauer, die Helligkeit, das Aktualisierungsverhalten und die Benachrichtigungsrichtlinie.

pie showData
    title Tägliche Ladung (mAh/Tag) nach ausdrücklicher Kategorie der Arbeitsmappe
    "AMOLED-Display (9,56 mAh/Tag)" : 9.5595
    "MCU (4,62 mAh/Tag)" : 4.6163
    "Vibrationsmotor (2,22 mAh/Tag)" : 2.2203
    "Sonstiges / nicht zugeordnet (1,29 mAh/Tag)" : 1.2866

Das Diagramm weist das letzte Segment bewusst als „Sonstiges / nicht zugeordnet“ aus. Die Arbeitsmappe liefert keine unabhängigen Werte auf der Akkuseite für Bluetooth, Beschleunigungssensor oder Gyroskop. Dass das Szenario für Bluetooth-Telefonie deaktiviert ist, belegt nicht, dass Bluetooth keinen Energiebedarf hat: Das Szenario zur App-Synchronisierung kann ebenfalls den Funkpfad nutzen; die Arbeitsmappe weist diesen Anteil jedoch nicht separat aus. Ebenso kann der Sensorverbrauch in „Sonstiges“ enthalten sein. Anhand der bereitgestellten Daten lässt er sich aber nicht separat dem Beschleunigungssensor oder Gyroskop zuordnen.

Um daraus ein Diagramm mit fünf Kategorien zu machen — MCU, Display, Vibrationsmotor, Bluetooth und eine kombinierte Kategorie für Beschleunigungssensor/Gyroskop —, ergänzen Sie getrennte Zeilen für Bluetooth-Leerlauf und -Übertragung, für Modi und Tastverhältnisse des Beschleunigungssensors sowie für Modi und Tastverhältnisse des Gyroskops. Messen Sie jede Zeile am Akkueingang oder wenden Sie den gemessenen Reglerwirkungsgrad an, bevor Sie sie zur Summe in mAh auf der Akkuseite addieren. Ersetzen Sie dann das Segment „Sonstiges / nicht zugeordnet“, statt ein zweites, überlappendes Sensor- oder Bluetooth-Segment hinzuzufügen.

Basisverbrauch der MCU, szenariobezogene MCU-Arbeit und Sensorlasten trennen¶

Die Arbeitsmappe weist einen eigenen Bereich MCU aus, isoliert das Grafik-Rendering aber nicht als eigenen Codepfad. Die belastbarste Analyse trennt den MCU-Eintrag für den Basis-Standby von den MCU-Einträgen, die den Nutzungsszenarien zugeordnet sind; der Sensorverbrauch ist nicht als eigene Kategorie ausgewiesen.

pie showData
    title Tägliche MCU-Ladung (mAh/Tag) nach Aktivitätsgruppe
    "Basis-Standby" : 1.4854
    "Interaktion mit eingeschaltetem Display" : 1.3013
    "Schlafüberwachung" : 1.6640
    "Automatische Herzfrequenzmessung" : 0.1656

Zwei Vergleiche verhindern eine irreführende Schlussfolgerung:

• MCU-Eintrag für Basis-Standby gegenüber den Einträgen der Szenarien mit eingeschaltetem Display: Der Basis-Standby trägt 1,49 mAh/Tag bei und damit etwas mehr als die 1,30 mAh/Tag, die der MCU über alle Szenarien mit eingeschaltetem Display zugeordnet sind. In diesem Modell ist die Verringerung des angenommenen Basisstroms mindestens ebenso wichtig wie die Verringerung der MCU-Arbeit dieser Szenarien. Die Arbeitsmappe erfasst kurze Grafikverarbeitungsphasen nicht als eigene Messung.
• MCU-Eintrag für Basis-Standby gegenüber allen übrigen ausgewiesenen MCU-Einträgen: Die übrigen MCU-Einträge summieren sich auf 3,13 mAh/Tag, also das 2,11-Fache des Basis-Standby-Eintrags. Die Schlafüberwachung ist mit 1,66 mAh/Tag der größte einzelne Eintrag außerhalb der Basis; dies ist eine MCU-Zuordnung auf Szenarioebene und keine Messung des reinen CPU-Aktivstroms.

Die Arbeitsmappe enthält keine eigene Sensorkategorie. Der Bereich Other ist die einzige Stelle, die den Sensorverbrauch enthalten könnte; er kann aber auch PMIC, Funk, Leckströme oder andere Hintergrundlasten enthalten. Er summiert sich auf 1,29 mAh/Tag (7,28 %). Selbst wenn der gesamte Wert von Other den Sensoren zugerechnet würde, wäre der ausgewiesene MCU-Bereich immer noch größer: 4,62 mAh/Tag gegenüber 1,29 mAh/Tag, also das 3,59-Fache. Dies vergleicht Kategorien der Arbeitsmappe und ist kein direkter Messvergleich zwischen MCU-Chip und Sensoren. Der reine Sensoranteil lässt sich erst bestimmen, nachdem das Modell die Sensorschienen vom generischen Eintrag Other trennt.

Aus der Rangfolge konkrete Maßnahmen ableiten¶

Arbeiten Sie vom größten modellierten Beitrag abwärts und validieren Sie die Reihenfolge dann durch Messungen. In diesem Modell ist folgende Abfolge sinnvoll:

1. Display-Richtlinie: Messen Sie den vollständigen Raise-to-Wake-Verlauf. Verringern Sie Fehlauslösungen der Gestenerkennung, Display-Einschaltdauer, Helligkeit, Vollbild-Neuzeichnungen und unnötige Animationen, bevor Sie sich mit kleinsten MCU-Strömen befassen.
2. Benachrichtigungsrichtlinie: Fassen Sie nicht dringende Benachrichtigungen zusammen, soweit das Produkterlebnis es erlaubt. Prüfen Sie, ob jedes Ereignis sowohl Display als auch haptisches Feedback braucht.
3. Vernetzter Standby: Bestätigen Sie, dass die MCU nach jedem Ereignis den vorgesehenen Schlafzustand erreicht. Prüfen Sie periodische Timer, Polling-Schleifen, Bluetooth-Callbacks und Anforderungen des Energiemanagements.
4. Haptische Muster: Stimmen Sie Amplitude und Dauer anhand von Wahrnehmungstests ab. Ein kürzeres oder sanfteres Muster kann Energie sparen, ohne Hinweise schlechter nutzbar zu machen.
5. Langlaufende Sensorik: Messen Sie Schlafüberwachung und Trainingsaufzeichnung als vollständige Nutzungsszenarien, einschließlich Sensor-Tastverhältnis, Verarbeitung, Speicherverkehr und Funkverhalten.

Optimieren Sie keine isolierte Tabellenzahl. Eine scheinbar effiziente Änderung kann die Aufwachhäufigkeit erhöhen, die Nutzerzufriedenheit senken oder die Aktivzeit so weit verlängern, dass die erwartete Energieeinsparung verloren geht.

Das Modell auf der Hardware validieren¶

Das Modell wird nützlich, wenn es laufend an Messungen kalibriert wird. Erfassen Sie für jeden der größten Beiträge Akku- oder Versorgungsspannung, Temperatur, Platinenrevision, Firmware-Revision, aktive Funkfunktionen, Display-Modus und Messbereich.

Das Modell realistisch halten¶

• Betrachten Sie deaktivierte Szenarien als nicht budgetiert und nicht als kostenlos. Die Arbeitsmappe setzt derzeit für die Szenarien NFC, Bluetooth-Telefonie und AOD die Ladung auf null.
• Halten Sie für nutzersichtbare Funktionen und Hintergrundarbeit getrennte Szenarien vor. So werden Zielkonflikte bei der Produktgestaltung sichtbar.
• Messen Sie nach Möglichkeit am Akkueingang. Messungen auf Schienenebene bleiben wertvoll, aber Reglerverluste und Ruhestrom müssen berücksichtigt werden, bevor sich daraus eine Akkulaufzeit ableiten lässt.
• Ändern Sie jeweils eine Annahme und vergleichen Sie dann mAh pro Tag und nicht nur den momentanen Strom.
• Führen Sie das Profil erneut aus, wenn sich Display-Richtlinie, Bluetooth-Einstellung, Sensortakt, PM-Richtlinie oder eine wichtige Firmware-Funktion ändert.

Wichtigste Erkenntnisse¶

• Die Akkulaufzeit ist die effektive Akkukapazität geteilt durch die tägliche Ladungsaufnahme; dieses Modell projiziert 13,15 Tage aus 232,5 mAh nutzbarer Kapazität und 17,68 mAh/Tag aktivierter Last.
• In der bereitgestellten Basis dominiert das Display-Verhalten das Budget. Raise-to-Wake und Nachrichtenbenachrichtigungen machen allein etwa die Hälfte der täglichen Ladung aus.
• Die Szenario-Rangfolge zeigt, wo zuerst gemessen und optimiert werden sollte; sie ist nützlicher als eine einzelne Durchschnittsstromzahl.
• Verwenden Sie den tatsächlichen Wandlerwirkungsgrad und Ruhestrom, bevor Sie eine Prognose der Arbeitsmappe als Aussage zur Akkulaufzeit des Produkts behandeln.
• Wiederholen Sie den Kreislauf: realistisches Verhalten modellieren, die dominanten Szenen messen, die Annahmen aktualisieren und dann optimieren.

Zuletzt aktualisiert: 2026-10-19