Sind Sie bereit für die nächsten EU-Ökodesign-Anforderungen?

Es ist nicht zu früh, sich auf die nächsten Ökodesign-Vorschriften der Europäischen Union (EU) für Smartphones und Tablet-Computer vorzubereiten. Die Vorschriften betreffen die nachhaltige¹ Gestaltung und die neuen Anforderungen für eine Energieverbrauchskennzeichnung² und werden sich erheblich darauf auswirken, wie diese Geräte entwickelt, gebaut und präsentiert werden. Eine Vorschrift schreibt vor, dass Smartphones so gebaut sein müssen, dass die Verbraucher sie leicht reparieren, aufrüsten und warten können (in einigen Fällen auch mit austauschbaren Batterien). Die andere konzentriert sich auf das Hinzufügen von Energieverbrauchskennzeichnungen, ähnlich denen, die bereits auf Haushaltsgeräten zu finden sind.

Beide werden voraussichtlich 2024 gesetzlich vorgeschrieben sein.

Die Leistungsanforderungen der 5G-Vernetzung werden die Erfüllung dieser neuen Richtlinien noch schwieriger machen. Drei wichtige Bereiche, die bei der Entwicklung nachhaltiger und energieeffizienter Tablet-Computer und Smartphones berücksichtigt werden müssen, sind: stromsparende Speicher, optimale Energieverwaltung und effiziente HF-Signalketten.

Dieser Blog gibt einen kurzen Überblick über einige der Ökodesign-Anforderungen sowie über einige Schritte, die Sie zur Vorbereitung unternehmen können. Der Schwerpunkt liegt auf ICs, die eine höhere Effizienz ermöglichen, darunter ein LPDDR5-Speicher-IC (LPDDR = Low-Power-Double-Data-Rate, doppelte Datenrate bei niedriger Leistungsaufnahme) von Micron Technology, ein Energiemanagement-IC (PMIC) von Texas Instruments und ein Antennenabstimmungs-IC von Infineon

Beispiel für Ökodesign-Verordnungen

Einige Beispiele für die neuen Anforderungen aus dem 52-seitigen Anhang zu den Verordnungen mit dem Titel „Nachhaltige Gestaltung von Mobiltelefonen und Tablets - Ökodesign“ sind:

Schutz vor eindringenden Medien: Die Geräte müssen gegen das Eindringen von festen Fremdkörpern von 1 Millimeter (mm) oder mehr und gegen Spritzwasser geschützt sein. Der Schutz gegen das Eindringen von Partikeln und Feuchtigkeit wird in Form eines IP-Codes angegeben (Tabelle 1). Die Prüfung der Schutzart muss ohne Schutzabdeckung des Geräts durchgeführt werden. Wie weiter unten beschrieben, müssen Geräte mit langlebigen Batterien, die nicht vom Benutzer ausgetauscht werden können, wasserdicht gemäß der Norm IP67 sein.

Tabelle 1: Die Mindestanforderungen an den Schutz gegen Eindringen gelten für Partikel von 1 mm oder mehr und Spritzwasser. (Quelle der Tabelle: ec.europa.eu)

Batterien und Batteriemanagement: Die Ökodesign-Norm verlangt, dass Batterien in kontinuierlichen Lade-/Entladezyklen getestet werden, bis die nutzbare Kapazität 80 % ihrer Nennleistung erreicht hat. Bei den Lebenszyklustests werden die Standardladealgorithmen für das Gerät verwendet. Die Anzahl der Zyklen wird auf das nächste volle Hundert abgerundet. Eine Batterie, die beispielsweise nach 524 Zyklen 80 % der Nennkapazität erreicht, wird als „für 500 Zyklen ausgelegt“ bezeichnet.

Alle Geräte müssen demnach eine Batterielebensdauer von mindestens 500 Zyklen aufweisen. Die Nutzer müssen in der Lage sein, den Zustand der Batterien jederzeit zu überprüfen und die Batterien zu ersetzen, wenn ihre Kapazität zu stark nachlässt. Eine Ausnahme bilden Smartphones mit Akkus, die eine Lebensdauer von 1000 Zyklen oder mehr haben und nach der Norm IP67 wasserdicht sind. In diesem Fall müssen die Batterien nicht vom Benutzer ausgewechselt werden können. Allerdings müssen die Akkus in diesen Smartphones von professionellen Technikern ausgetauscht werden können.

Anforderungen an das Batteriemanagement:

1. Die Geräte müssen über eine vom Benutzer steuerbare Ladefunktion verfügen, die den Ladevorgang beendet, wenn der Akku 80 % der vollen Kapazität erreicht.
2. Die Geräte müssen über eine Standardeinstellung verfügen, die sicherstellt, dass voll geladene Batterien nicht mit Strom versorgt werden, es sei denn, der Ladezustand fällt auf weniger als 95 % der Nennkapazität. Die Benutzer müssen die Möglichkeit haben, diese Einstellung zu deaktivieren.

Neben einem angemessenen Energiemanagement ist ein niedriger Stromverbrauch ein wichtiger Faktor, um die Anforderungen der neuen Ökodesign-Richtlinien an die Lebensdauer von Batterien zu erfüllen.

Mehr Speicherbandbreite, weniger Stromverbrauch

Ein geringer Stromverbrauch kann natürlich durch energieeffiziente Komponenten erreicht werden. Für den Anfang können Sie auf LPDDR5-DRAM (DRAM = Dynamic Random Access Memory, dynamischer Arbeitsspeicher) für Mobiltelefone setzen. Bausteine wie der MT62F1G64D8CH-031 von Micron Technology sind im Vergleich zu Speicherbausteinen der vorherigen Generation um 20 % energieeffizienter. Dieser DRAM kann die Datenverarbeitung mit Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 6,4 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) unterstützen (eine wichtige Voraussetzung für 5G-Smartphones) und ist 50 % schneller als bisherige DRAM-Designs.

Abbildung 1: LPDDR5-Speicherbausteine wie der MT62F1G64D8CH-031 sind 20 % energieeffizienter als Bausteine der vorherigen Generation. (Bildquelle: Micron Technology)

Energiemanagement-IC

Mit dem PMIC LP8758A von Texas Instruments kann der Stromverbrauch von Prozessoren in Smartphones und Tablets optimiert werden. Er liefert vier Ausgangsspannungen von unabhängigen DC/DC-Abwärtswandlern und kann über eine serielle I²C-Schnittstelle gesteuert werden. Der LP8758A schaltet automatisch zwischen Pulsweitenmodulation (PWM) und Pulsfrequenzmodulation (PFM) um, um die Effizienz über einen breiten Ausgangsstrombereich zu maximieren (Abbildung 2). Um den Energieverbrauch effizient zu überwachen, kann der LP8758A die Laststrommessungen ohne externe Strommesswiderstände durchführen.

Abbildung 2: Der PMIC LP8758A bietet einen hohen Wirkungsgrad über einen weiten Bereich von Ausgangsströmen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Abstimmung von Antennen

Eine effiziente HF-Signalkette ist ein weiterer wichtiger Faktor für die Energieeffizienz von Smartphones und Tablet-Computern. Der BGSC2341ML10 von Infineon Technologies ist für HF-Abstimmungsanwendungen wie abstimmbare Impedanzanpassung, abstimmbare Filterung und Antennenabstimmung konzipiert. In diesem IC sind ein abstimmbarer Kondensator mit 8 Zuständen und ein einpoliger SPDT-HF-Schalter mit niedrigem Durchlasswiderstand integriert, der über das MIPI-2.1-RFFE-Protokoll (Mobile Industry Processor Interface) gesteuert wird (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der BGSC2341ML10 enthält einen abstimmbaren Kondensator (C1) und einen SPDT-HF-Schalter (SW1 und SW2). (Bildquelle: Infineon Technologies)

Fazit

Im Jahr 2024 wird die EU neue Ökodesign-Anforderungen für Smartphones und Tablets erlassen, und jetzt ist es an der Zeit, sich darauf vorzubereiten. Mit Blick auf Nachhaltigkeit und Reparierbarkeit sehen die neuen Vorschriften auch eine Energieverbrauchskennzeichnung vor, die derjenigen ähnelt, die derzeit auf Haushaltsgeräten zu finden ist. Wie gezeigt, können Entwickler, um die anspruchsvollen Energieverbrauchskennzeichnungen für Systeme der nächsten Generation zu erfüllen, auf leicht verfügbare moderne LPDDR5-DRAM-Speicher, PMICs und Antennenabstimmungs-ICs zurückgreifen.

Referenzen:

1: Nachhaltige Gestaltung von Mobiltelefonen und Tablets - Ökodesign

2: Energieverbrauchskennzeichnung von Mobiltelefonen und Tablets – Verbraucherinformationen über Umweltauswirkungen