Effiziente AC/DC-Wandler mit SiC-MOSFETs

Transcription

04/2016
D 19067 · April 2016 · Einzelpreis 19,50 € · www.elektronik-industrie.de
Was Entwickler wissen müssen
STROMVERSORGUNGEN
Digital statt Analog:
Laden von Supercaps per
Buck-Boost-Topologie
14
MIXEDSIGNALICS
Mehrkanal-Brückensensor
mit passendem Algorithmus
einstellen/kalibrieren
38
SENSOREN
Labview-basierte Echtzeitsignalverarbeitung für die
Radarsensorik
56
INDUSTRIELLE STROMVERSORGUNGEN
Effiziente AC/DC-Wandler
mit SiC-MOSFETs
10
e
g
zei
An
Editorial
kühlen schützen verbinden
EDITORIAL
von Chefredakteur Alfred Vollmer
Die wahren Enabler
D
ie Hannover Messe wird in diesem Jahr einen ganz besonderen
Ehrengast haben. Als erster
amtierender US-Präsident wird Barack
Obama die Hannover Messe besuchen –
begleitet von einer über 200 Teilnehmer
starken Delegation. Vermutlich wird er
diese Bühne auch intensiv nutzen, um
während seiner Rede auf der Eröffnungsveranstaltung am 24.4. für das transatlantische Abkommen TTIP zu werben, bevor
er dann gemeinsam mit Dr. Angela Merkel die weltgrößte Industriemesse offiziell
eröffnen wird.
Im Juni hat die Kanzlerin ihren nächsten
Auftritt in der Technik-Welt: beim ZVEIJahreskongress in Berlin. Derartige Besuche zeigen, dass die Politiker sich der
Bedeutung der Technik und ihrer Industriesparte für Wirtschaft und Gesellschaft
sehr wohl bewusst sind – auch wenn wir
das nicht immer so empfinden.
In dieser Ausgabe der elektronik industrie
beschäftigen wir uns mit Themenbereichen, die so mancher Digital-Entwickler
und Software-Ingenieur gerne auch mal
als reine Commodity ansieht, die aber für
das Design per se essentiell wichtig sind.
Es geht um den klassischen Bereich der
Stromversorgung, die permanent zumindest einen Tick oder gar eine Klasse besser
werden. Auf 18 Seiten können Sie sich ab
Seite 14 davon überzeugen.
Und ohne die Inputs der Sensoren (ab
Seite 52), die Signalaufbereitung auf der
analogen Seite inklusive Digitalisierung
(ab Seite 32) sowie die programmierbaren
Logikbausteine (ab Seite 34), die nicht nur
rund um die Schnittstellen und Algorithmen für ein effizientes Design sorgen, wäre
die Digitaltechnik gar nicht so interessant
für die Politiker und die Gesellschaft.
Stiftkühlkörper
• Für PGA, BGA und Grafikprozessoren
• Durch omnidirektionale Rippengeometrie keine richtungsgebundene
Einbaulage
• Für freie und erzwungene Konvektion
• Ebene Halbleitermontageflächen
• Passende doppelseitig klebende
Wärmeleitfolien
• Kundenspezifische Ausführungen
All diese Themenbereiche standen in den
letzten 30 Jahren auch im Mittelpunkt meines Berufslebens. Seit über 20 Jahren arbeite ich mittlerweile für die elektronik industrie – zunächst als freier Mitarbeiter und
dann als festangestellter Redakteur beim
Hüthig-Verlag. Seit dem 1.4. darf ich im
Rahmen einer Doppelspitze gemeinsam
mit dem derzeit noch erkrankten Hans
Jaschinski als Chefredakteur agieren.
[email protected]
Mehr erfahren Sie hier:
www.fischerelektronik.de
Fischer Elektronik GmbH & Co. KG
USB Typ C: Kein
Kopfzerbrechen
durch Nicht-USBFunktionen.
Fachbeitrag von Lattice
www.elektronik-industrie.de
Nottebohmstraße 28
58511 Lüdenscheid
DEUTSCHLAND
Telefon +49 2351 43 5 - 0
Telefax +49 2351 4 57 54
E-mail [email protected]
44
Wir stellen aus:
High End in München
05.-08.05.2016
Halle 3, Stand K13
April 2016
10
Märkte + Technologien
0 6
07
Top 5
News und Meldungen
26
30Highlights
Power Integrations, Feas, Yuasa
Coverstory
10
Effizienter und einfacher
Industrielle AC/DC-Stromversorgungen
mit SiC-MOSFETs entwickeln
Stromversorgungen
14 Digital statt analog
Stromversorgung für schnelle ADCs
Versorgungsnetze entwickeln
44
USB Typ-C unter der Lupe
Kein Kopfzerbrechen durch Nicht-USBFunktionen
48
Wie sich AES beschleunigen lässt
FPGA als Basis zur Implementierung von
Verschlüsselungsalgorithmen
Analog-/Mixed-Signal-IC
3 2
Sensoren Ohne OPV keine Medizintechnik
Design-Aspekte beim Einsatz von
Operationsverstärkern
52
34
Die Qual der Wahl
Temperatursensoren
54PIR-Sensoren
38
Exakt getroffen:
Sensorschnittstellen-IC kalibrieren
Mehrkanal-Brückensensor mit einem
passenden Algorithmus einstellen
High-Cap-Ladung mittels Buck-BoostTopologie
in Sicherheits-Anwendungen
Hohe Detektierungs-Performance
56
17Highlights
Hy-Line Power Components, Emtron
18
22
Programmierbare Logik
Datenlogger für die Kühlkette
Energy-Harvesting zum Aufladen des
Akkus in einem RFID-Sensor-Label
40
Immer schön der Reihe nach
Vorteile integrierter PowermanagementLösungen
43Highlight
Energiesparend kommunizieren
Eine neue Ära heterogener 3D-Systemin-Package-Integration
Bitte ins Licht rücken
Infrarot-Abstandssensoren
Detektion und Auswertung
Labview-basierte Echtzeitsignalverarbeitung für die Radarsensorik
Kommunik ation
58
Zur Cloud und zurück
Künftige Anforderungen an Feldgeräte
im Internet of Things
Fujitsu Electronics Europe
Kommunikation
58 Zur Cloud und zurück
Neue Sensoren werden nicht
nur E/A-Daten generieren,
sondern auch Diagnose- und
Zustandsdaten. Vor allem
müssen diese Informationen
an einen zentralen Speicherort – eine Cloud – gelangen.
4
elektronik industrie 04/2016
44
RUBRIKEN
03
Editorial
Die wahren Enabler
63
64
65
Neue Produkte
Kataloge
Gewinnspiel
Eurocomp
66
66
Impressum
Inserenten-/Firmenverzeichnis
online
all-electronics.de
Ergänzend zum gedruckten Heft finden
Sie alle Informationen
und viele weitere
Fachartikel, News,
Produkte und Marktübersichten auf unserem Online-Portal allelectronics.de. Hier
können Sie auch Beiträge suchen und
nach Thema filtern.
Top 5
Top-FIVE
Hier präsentiert Ihnen die elektronik industrie jeden Monat die
Top 5 Artikel, News und Produkte der Elektronik-Entwicklung.
Die Leser der Webseite www.all-electronics.de haben diese aktuellen Inhalte im vergangenen Monat am häufigsten aufgerufen.
Wer sich für weitere Informationen interessiert, gibt auf diesem
Portal die infoDIREKT-Kennziffer (zum Beispiel 611ei0316) in das
Suchfeld ein. Übrigens finden Sie auf unserer Internetseite die Inhalte der elektronik industrie seit dem Jahr 1999. Um immer auf
dem Laufenden zu sein, abonnieren Sie einfach unseren Newsletter unter www.all-electronics.de.
Artikel
1
Dynamischer Wirtschaftsstandort:
Elektronikbranche Österreichs
611ei0316
2
Alle Modelle von Raspberry Pi auf einem Blick
3
3D-Drucker Renkforce RF 2000 Dual-Extruder
4
3D-Magnetsensor: Konsumgüter, Automobil und Industrie
5
Referenzdesign für das Wärmemanagement von LEDs
2
Dr. Gerhard Fettweis im Aufsichtsrat von NI
3
Kostengünstiges Druckverfahren für OLED-Panele
4
Kompaktes High-Power-LED-Modul aus der Forschung
5
Zukunftspreis der Light and Building
2
Energieeffiziente LED-Platinen von Barthelme bei Conrad
3
Sehr helle LED-Modulserie für Industriebeleuchtungen
4
Komplettsystem zur werkzeuglosen Montage
5
Funkprodukte für die intelligente Lichtsteuerung
Eigener Beitrag
120ejl0316
RS Components
610ei0316
700ei0316
Conrad Electronic
Infineon Technologies
701ejl0216
Häusermann und 3M
NEWS
1
German LED Tech treibt Technologiewechsel in Deutschland voran
190ejl0216
German LED Tech
692ei0416
National Instruments
902ei0416
Fraunhofer FEP
903ejl0316
Fraunhofer IPT
191ejl0216
Messe Frankfurt
PRODUKTE
1
6
IP67-geschützte Stecker:
Wasserdichte Verbindungen
206ei0316 elektronik industrie 04/2016
Börsig
708ejl0216
703ejl0216
Conrad Electronic
Samsung Semiconductor
203ei0316Conta-Clip
705ejl0216
Dresden Elektronik
Know-how über drahtlose Kommunikationssysteme
Dr. Gerhard Fettweis im Aufsichtsrat von National Instruments
weis viele Auszeichnungen wie den Stuart Meyer Memorial Award der IEEE Vehicular Technology Society und der Alcatel-Lucent Innovation
Award erhalten. Er war bei der Gründung von
zehn Unternehmen beteiligt, unter anderem an
Signalion, der jetzigen National Instruments
Dresden GmbH, und nahm in den letzten 20
Jahren an mehr als 100 Forschungsprojekten
teil. Fettweis ist auch Wissenschaftler am International Computer Science Institute (ICSI), einer
der führenden unabhängigen Non-Profit-Zentren für Forschung in der Informatik, das der University of California, Berkeley, angegliedert ist.
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.
Gerhard Fettweis,
Board of Directors,
Corp. Austin/Texas.
Bild: National Instruments
National Instruments hat bekannt gegeben,
dass Dr. Gerhard Fettweis, Professor an der TU
Dresden, Vodafone Chair Mobile Communications System, in den Aufsichtsrat (Board of Directors) der National Instruments Corp./Austin,
Texas, berufen wurde. „Dr. Gerhard Fettweis ist
einer der wichtigsten Innovatoren in der Mobilfunkbranche“, so Dr. James Truchard, Chairman,
Präsident und CEO. „Wir glauben, dass seine
Spitzenforschung an der nächsten Generation
drahtloser Kommunikationssysteme, wie zum
Beispiel 5G und Multi-Prozessor-System-onChip-Technologie, uns Know-how in wichtigen
Wachstumsbereichen für unser Unternehmen
bringt.“
Seit 1994 hat Fettweis den Vodafone Stiftungslehrstuhl an der TU Dresden inne. Als IEEE Fellow und Mitglied von Acatech, der Deutschen
Akademie der Technikwissenschaften hat Fett-
infoDIREKT 692ei0416
Comsols neue Räume
Wachsende OEM-Kundenbasis
Auf Wachstumskurs
CUI ernennt Vice President
Comsol Multiphysics mit Sitz in Göttingen hat
seine neuen Büroräume mit einer Eröffnungsfeier eingeweiht. Mit den neuen Büros stehen
Comsol auch Schulungsräume für regelmäßig
stattfindende Kurse und ein Tonstudio für die
Aufnahme von Webinaren zur Verfügung. Insgesamt beschäftigt Comsol Multiphysics in
Deutschland 53 Mitarbeiter, davon 45 in Göttingen und 8 in Berlin. Der Anbieter multiphysikalischer Simulationssoftware ist seit dem Jahr
2000 mit einer eigenen Niederlassung in Göttingen vertreten. Ursprünglich unter dem Namen
Steve Mathis ist nun
Vice President Global
Sales bei CUI.
Bild: CUI
Bild: Comsol
Stehen hinter dem Wachstumkurs bei Comsol (v.l.n.r.):
Dr. Bernhard Fluche (Geschäftsführer Comsol), Farhad Saeidi (Präsident Comsol AB), Dr. Svante Littmarck
(Geschäftsführer der Comsol
Gruppe), Dr. Winfried Geis
(Niederlassungsleiter).
Femlab von Dr. Bernhard Fluche gegründet, ist
das Göttinger Büro bis heute für den deutschen
und österreichischen Markt zuständig. Im April
2012 kam eine zweite deutsche Niederlassung
in Berlin hinzu, die das Büro in Göttingen ergänzt und von der aus insbesondere der polnische und der österreichische Markt betreut
wird. Geschäftsführer Comsol Multiphysics ist
Herr Dr. Bernhard Fluche, Niederlassungsleiter
in Göttingen Dr. Winfried Geis.
CUI hat Steve Mathis zum Vice President Global
Sales des Unternehmens ernannt. Mit der Ernennung will CUI besser auf die komplexen Bedürfnisse seiner schnell wachsenden OEM-Kundenbasis reagieren. Dank seiner Erfahrung in
den Bereichen Leistungselektronik und Stromversorgung bringt Mathis umfassendes Knowhow aus den Märkten Netzwerktechnik, Industrie/Transportwesen, Medizintechnik und Telekommunikation in das Unternehmen mit ein.
Microsyst stellt Geschäftsführung breiter auf
M2.COM – der offene Standard für industrielle
Sensorknoten
Führungsriege erweitert
Der Weidener Systemelektronikanbieter Microsyst ist seit Anfang März mit neuer Führungsstruktur unterwegs: Elke Bannert und Manuel Raß wurden in
die Geschäftsführung berufen.
Nun leiten sie zusammen mit
dem Gesellschafter-Geschäftsführer Harald Kilian die Geschicke des Unternehmens. Harald
Kilian, bislang alleiniger Geschäftsführer der Microsyst, stellt die Geschäftsleitung damit auf eine breitere Basis. Mit den beiden neuen in der
Geschäftsführung holt Kilian zwei langjährige
Mitarbeiter in die Führungsriege. Elke Bannert
ist für die kaufmännischen Bereiche zuständig.
Manuel Raß obliegen die technischen Bereiche.
Bild: M2.COM
Advantech, ARM, Bosch Sensortec, Sensirion und Texas Instruments arbeiten gemeinsam an
der IoT-Sensorplattform M2.COM.
Für die Realisierung einer breiten
Palette an IoT-Anwendungen
und die Standardisierung der
verschiedenen Plattformen und
Technologien haben Sensor- und Mit M2.COM mehr IoT-Sensing-MöglichModulhersteller eine offene
keiten schaffen.
Plattform für IoT-Sensoren und
Sensorknoten konzipiert, die eine effizientere IoT-Entwicklung möglich
machen. Durch die Mitwirkung bei M2.COM können die Teilnehmer Form
und Ausrichtung der führenden Plattform für IoT mitbestimmen. Der Zusammenschluss der Unternehmen wird dazu beitragen, dass mit M2.COM
mehr IoT-Sensing-Möglichkeiten geschaffen werden.
Bild: Microsyst
IoT-Sensor-Plattform
Microsyst-Inhaber
Harald Kilian (mittig)
führt mit seinen Geschäftsführern Elke
Bannert (rechts) und
Manuel Raß (links)
das Unternehmen.
7
UN-Transporttest
Batteryuniversity für Prüfungen gemäß
DIN EN ISO/IEC 17025:2005 akkreditiert
den Kriterien des UN-Handbuchs „UN
ST/SG/AC.10/11/Rev.5 und 6, Part III, Section 38.3 Lithium metal and lithium ion
batteries“ (dem sogenannten UN-Transporttest) durchzuführen. Die Batteryuniversity zählt zu den deutschen Prüflaboren, denen dank einer flexiblen Akkredi-
DEUTSCHMANN –
YOUR TICKET TO ALL BUSES
tierung ohne vorherige Information und
Zustimmung der DAKKS die Anwendung
beider Revisionsstände gestattet ist. Die
jeweiligen Prüfberichte sind international
anerkannt. Als Nachweis dient das kombinierte Symbol der Ilac-MRA sowie der
DAKKS auf den Prüfberichten.
„Unsere eigentliche Kernkompetenz besteht darin, dass wir mit
einem Dutzend Mitarbeitern –
überwiegend Ingenieure der Elektrotechnik, Chemiker und Physiker
– Entwickler und Anwender von
Batterien mit unterschiedlichen
Bilder: Batteryuniversity
Die Deutsche A kkreditierungsstelle
(DAKKS) hat die Batteryuniversity mit
Wirkung vom 26. Januar 2016 als Prüflabor
für Batterien akkreditiert. Das Zulassungsverfahren bescheinigt der Batteryuniversity die Befähigung, Prüfungen
gemäß DIN EN ISO/IEC 17025:2005 nach
Dr. Jochen Mähliß: „Die Akkreditierung
nach DIN EN ISO/IEC 17025:2005 ist nun
ein weiterer wichtiger Meilenstein auf
dem Weg zu einem der führenden Prüflabore für Batterien in Europa.“
JAHRE
Innovationen
EMBEDDED MODULE, PROTOKOLLKONVERTER, GATEWAYS –
wir haben die innovative Lösung

Einfach zu implementierende Embedded Module

Flexible Protokollkonverter – schnell zu konfigurieren

Leistungsstarke Gateways für die Kommunikation
unterschiedlicher Busvarianten

Für komplexe Aufgabenstellungen sind alle UNIGATE
Baureihen auch frei programmierbar
your ticket to all buses
www.Deutschmann.de
ETHERNET TCP/IP
MPI
individuellen Dienstleistungen in
ihrer täglichen Arbeit unterstützen“, erklärt Dr. Jochen Mähliß,
Leiter der Batteryuniversity. „Dazu
zählen neben In-House-Schulungen, technischen Analysen, Gutachten und der Entwicklung von
eigenen Testgeräten unter anderem
auch die Durchführung von normenbasierten oder kundenspezifischen Testreihen im eigenen
Labor. Wir prüfen bereits seit Jahren Batterien gemäß den gesetzlichen Vorschriften für unterschiedlichste Sicherheits-, Transport- und
Umweltbelange. Die Akkreditierung nach DIN EN ISO/IEC
17025:2005 ist nun ein weiterer
wichtiger Meilenstein.“ (jck)
n
Millimeterwellen-Technologie
ZVEI-Jahreskongress 2016
Mit lll-V-CMOS-Technik zu effizienteren Chips
Die digitale Welt gestalten
Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik (IAF) entwickeln mit fünf
Projektpartnern im Forschungsprojekt Insight leistungsstärkere
und energiesparende ICs für künftige 5G-Kommunikationssysteme.
Diese Technologie könnte sich besonders gut für MillimeterwellenFrontends eignen, in denen sie für
den Empfang und die Generierung
von Signalen für Kommunikationssowie Radar- und Bildsysteme dienen wird. Die neuartigen Schaltungen für HF-Anwendungen basieren auf lll-V-Halbleitermaterialien
in Verbindung mit konventioneller
Silizium-Technologie. Details zum
Projekt finden Sie in der Langversion dieses Beitrags per infoDIREKT.
infoDIREKT
Die Digitalisierung in all ihren Facetten ist das Kernthema des ZVEIJahreskongresses 2016, der am 8.
und 9. Juni 2016 in Berlin stattfindet. Unter dem Titel „Vernetzung.
Sicherheit. Vertrauen. Die digitale
Welt gestalten.“ treffen hier rund
700 Vorstände, Geschäftsführer
und Entscheidungsträger aus der
Elektroindustrie zusammen, um
mit Vertretern aus Politik, Wissen-
903ei0416
schaft und anderen Branchen über
die konkrete Realisierung der Digitalisierung zu diskutieren. Kanzlerin Dr. Angela Merkel und Arbeitsministerin Andrea Nahles beleuchten die Umsetzung der Digitalisierung mit ihren Auswirkungen auf
Industrie, Geschäftsmodelle, Mobilität und vor allem den Menschen.
infoDIREKT
104ei0416
OLED-Herstellungsverfahren
T & M Solutions
Kostengünstiges Druckverfahren für OLED-Panele
Averna kauft zu
Das Projekt mit dem Namen
Treasores (Transparent Electrodes
for Large Area Large Scale Production of Organic Optoelectronic Devices) vereinte das Knowhow von
neun Unternehmen und sechs Forschungsinstituten aus fünf europäischen Ländern. Die Eidgenössische Materialprüfungs-und Forschungsanstalt (Empa) hat das im
November 2012 gestartete Projekt
koordiniert.
Als wichtigstes Ergebnis hat das
Projekt Produktionsprozesse für
verschiedene Typen transparenter
Elektroden und Barrierematerialien für die nächste Generation flexibler Optoelektronik entwickelt
und in einem zweiten Schritt für
die Industrieproduktion hochskaliert. Drei dieser Elektroden auf flexiblen Substraten – sie basieren
entweder auf Kohlenstoffnanoröhrchen, Metallfasern oder dünnen Silberschichten – laufen be-
reits in der kommerziellen Produktion oder sollen noch dieses Jahr
auf den Markt kommen. Solche
Prozesstechnologien werden in
Zukunft die Preise für Lichtquellen
und Solarzellen deutlich sinken
lassen. Weitere Details finden Sie
in der Langversion dieses Beitrags
per infoDIREKT.
Averna hat die hundertprozentige
Übernahme von Test & Measurement (T&M) Solutions bekannt gegeben. T&M Solutions entwickelt
multidisziplinäre Lösungen für die
Prüfung, Messung, Inspektion,
Montage und Validierung von Produkten in nahezu allen Branchen
der Fertigungsindustrie. Mit Sitz in
Belgien und Niederlassungen in
den Niederlanden und Polen ist
T&M Solutions ein „Gold-Level Alliance Partner“ bei National Instruments mit 100 Mitarbeitern, davon
70 Ingenieure mit beinahe 50 NIZertifizierungen. Darüber hinaus
verfügt T&M Solutions über Knowhow im Bereich Halbleiterprüfung,
Inspektionssysteme und Präzisionsmontage und soll damit die bestehenden Lösungen und Branchenstärken von Averna komplettieren.
infoDIREKT
infoDIREKT
Bild: Fraunhofer FEP
Im Rahmen des dreijährigen EUForschungsprojekts Treasores haben die Projektpartner biegsame
leuchtende OLED-Module im Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren hergestellt; dieses Verfahren arbeitet im
Prinzip wie der Zeitungsdruck. Diese Technik legt den Grundstein für
eine kostengünstige Herstellung
von LED-Leuchtflächen und Solarzellen.
Das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahlund Plasmatechnik (Fraunhofer
FEP) in Dresden bestätigt, dass sie
mit den neuen Elektroden äußerst
homogene Lichtquellen auch auf
größeren Flächen mit einer Effizienz von 25 Lumen/W erreicht haben. Sie sind damit ebenso gut wie
die äquivalenten Bauteile der bisherigen OLED-Herstellung; dieses
Verfahren beruht auf einem langsameren Produktionsprozess mit
einzelnen Folien.
Das Fraunhofer FEP hat in einem
kostengünstigen Rolle-zu-RolleProzess diese flexible OLED-Lichtquelle hergestellt.
902ei0416
106ei0416
9
Stromversorgungen Coverstory
Effizienter und einfacher
Industrielle AC/DC-Stromversorgungen mit SiC-MOSFETs entwickeln
Industrielle Anlagen müssen immer effizienter werden, gefragt sind kompakte Lösungen mit hoher Leistung.
Um Energie zu sparen, prüfen Entwickler alle Bestandteile der Leistungskette. Gerade bei den Leistungshalbleitern eröffnet Siliziumkarbid viele neue Möglichkeiten, die sich dank eines neuen Controller-Bausteins nun
Autor: Andrea Colognese
auch sehr einfach in AC/DC-Wandlern nutzen lassen.
M
it seinen guten Eigenschaften ist Siliziumkarbid (SiC) für Leistungshalbleiter in AC/
DC-Wandlern eine vielversprechende
Lösung. Eine diskrete Implementierung benötigte
bisher aber viele Bauelemente und galt daher als
schwierig. Es gab aber keinen Controller, der die vorteilhaften Eigenschaften von SiC wirklich ausschöpfen konnte, vor allem passte die Abstimmung der
Gate-Treiber nicht. Mit einem neuen Baustein vereinfacht Rohm nun die Implementierung von AC/DCWandlern mit SiC-MOSFETs.
10
Die höhere dielektrische Feldstärke von Siliziumkarbid ermöglicht eine dünnere Schichtstruktur und
verringert damit den Oberflächenwiderstand. In Verbindung mit der hohen Ladungsträgerbeweglichkeit
sind bis zu 6 % geringere Schalt- und Leitungsverluste möglich (Bild 1) als bei Silizium-Komponenten
(Si). Ein weiterer Vorteil von SiC gegenüber Si ist die
höhere Spannungsfestigkeit. Wegen der beschränkten
Durchbruchspannung von Silizium-MOSFETs müssen Entwickler in Hochspannungsanwendungen zwei
oder mehr Transistoren kaskadieren, um die Spanwww.elektronik-industrie.de
Power Conversion Efficiency (%)
Bilder: Rohm
Si vs. SiC Efficiency Comparison in AC/DC Converter
SiC-MOSFET
Si-MOSFET
Simply replacing
the Si MOSFET
with SiC improves
efficiency by 6%
6% higher
*Equivalent control IC performance
(ROHM study)
Output Power (W)
Bild 1: Durch den Einsatz der SiC-Technologie können Entwickler die Effizienz von AC/DC-Wandlern deutlich erhöhen.
lange SiC-Historie gelang es zudem, Gate-Treiber,
MOSFETs und Controller perfekt aufeinander abzustimmen. Die BD768xFJ-LB-Wandler sind in einem
kompakten SOP-J8 erhältlich.
Eine Übersicht über die IC-Varianten innerhalb der
Produktfamilie zeigt Tabelle 1; sie unterscheiden sich
im Reset-Verhalten nach dem Aktivieren der integrierten Schutzfunktionen. Im Folgenden dient der
BD7682FJ als Beispiel aus dieser Produktfamilie. Bild 2
zeigt das Blockdiagramm dieses Bausteins in FlybackKonfiguration zusammen mit den in dieser Anwendung benötigten externen Komponenten.
Einfacher ansteuern
nungsbelastung für jeden einzelnen Transistor zu
reduzieren. Dies erhöht den effektiven Serienwiderstand und somit die ohmschen Verluste sowie die
Größe des Designs.
SiC-Schaltungen erreichen die gleiche Spannungsfestigkeit mit einem einzigen Transistor. Außerdem
eignet sich SiC für höhere Leistungen und die Bausteine sind beständiger gegen Temperaturänderungen.
Damit werden viele Kühlkörper und Lüfter überflüssig, was Platz spart, das Design vereinfacht und Störgeräusche reduziert. SiC-MOSFETs der dritten Generation unterstützen höhere Schaltfrequenzen und
lassen sich damit flexibler anwenden.
Vorteile nutzen
Diese Vorteile auch tatsächlich für eine effizientere
Stromwandlung zu nutzen, war bislang schwierig,
denn es gab keine Steuerung, die die Leistung des
SiC-MOSFETs zufriedenstellend abrufen konnte. Insbesondere waren die Gate-Treiber innerhalb der bestehenden Controller-ICs meist nicht gut auf die Bedürfnisse der neuen Leistungshalbleiter abgestimmt. Da
der Gate-Widerstand des SiC-MOSFET größer ist als
der von Si-MOSFETs, erfordert die Gate-Treiberschaltung einen geringeren Wechselstromwiderstand und
einen angepassten Ausgangsspannungsbereich. Fehlt
ein geeigneter Controller, bleibt den Entwicklern nur
eine diskrete Steuerung mit Gate-Treiber-Designs.
Leider sind Designs mit diskreter Konfiguration aber
kompliziert, sehr umfangreich und anfällig. Auch die
Stabilität in High-Power-Anwendungen ist schwer
zu meistern: Eine verbesserte Leistungsdichte führt
gewöhnlich zu erhöhter Temperatur im Umfeld des
Leistungshalbleiters.
Um all diesen Herausforderungen zu begegnen,
hat Rohm seine bewährte Analog-Technologie mit
SiC-Leistungshalbleiter-Know-how kombiniert und
mit der BD768xFJ-LB-Produktfamilie die ersten AC/
DC-Wandler-Controller der Branche speziell für den
Einsatz mit SiC-MOSFETs entwickelt. Der hauseigene BiCDMOS-Prozess ermöglicht es, mehrere Technologien in einem Chip zu kombinieren. Durch die
Der BD7682FJ-LB erleichtert das Ansteuern der SiCMOSFETs und ermöglicht einen höheren Wirkungsgrad. Dies wird insbesondere durch quasiresonanten
Betrieb möglich: Der Quasiresonanzwandler ist ein
Sperrwandler, der die Spannungsresonanz der Primärwicklung des Transformators und des Resonanzkondensators nutzt, um genau bei Nullstrom und
minimaler Spannung zu kommutieren und dadurch
Verluste und Störgeräusche deutlich zu reduzieren.
Die MOSFET-Gate-Schaltung beeinflusst die Verluste des MOSFET und den Geräuschpegel. Die
Schaltverluste des Quasiresonanzwandlers während
der Einschaltzeit sind im Wesentlichen Null, da diese Verluste vorwiegend beim Abschalten auftreten.
Um Schaltverluste beim Ausschalten zu reduzieren,
kann man die Abschaltgeschwindigkeit durch einen
geringeren Widerstandswert beschleunigen, aber
dann treten extreme Stromveränderungen auf und
das Schaltrauschen nimmt zu. Da es einen Zusammenhang zwischen Verlusten (Wärmeerzeugung)
und Rauschen gibt, müssen Hersteller den Temperaturanstieg und das Rauschen des MOSFET beim Einbauen messen und, falls nötig, anpassen. Da ein
Impulsstrom an den Widerstand fließt, müssen sie
die Impulswiderstände der Komponenten ebenfalls
überprüfen.
Im Vergleich zu einem PWM-Sperrwandler generiert der Quasiresonanzmodus der Rohm-Lösung
wesentlich weniger Verlustleistung und ein geringeres
Rauschen. Die hohen Schaltfrequenzen bis 120 kHz
verbessern den Wirkungsgrad weiter. Unter kleiner
Eck-Daten
Der BD7682FJ-LB ist der weltweit erste, für SiC-MOSFETs optimierte AC/DC-Controller. Er basiert auf einer für SiC-MOSFETs optimierten Gate-Treiber-Schaltung. Ein
quasiresonantes System senkt gegenüber konventionellen PWM-Methoden das
Rauschen. Das Resultat ist ein breiter Spannungsbereich von 12 bis 80 V, bessere
Stromkontrolle sowie höhere Effizienz bei geringer sowie hoher Last. Verglichen
mit konventionellen Silizium-MOSFETs kann sich die Energieeffizienz um bis zu 6 %
erhöhen. Schutzschaltungen ermöglichen den Hochspannungsbetrieb in AC/DCWandlern mit bis zu 690 VAC – optimale Voraussetzungen also für 400 VAC Betriebsspannung und den Dauerbetrieb in industriellen Anlagen.
11
2
Bild 2: Blockdiagramm des BD768xFJ
mit externen Komponenten in typischer
Anwendung.
Last schaltet der Baustein auf einen speziellen Niedriglastmodus (Discontinuous Conduction Mode, DCM)
mit niedriger Schaltfrequenz. Mit zunehmender Last
erhöht sich die Schaltfrequenz entsprechend, bis die
Last größer wird als das, was gemeinhin als Schwachlastbetrieb gilt. Um die volle Leistung bereitzustellen,
schaltet der quasiresonante Wandler in den Leistungsmodus (Boundary Conduction Mode, BCM). Diese
dynamische Anpassung der Betriebsmodi (Bild 3) sorgt
für eine hohe Effizienz über einen breiten Ausgangsleistungsbereich.
Da Siliziumkarbid-MOSFETs höhere Gate-Spannungen als IGBTs benötigen, stellt der BD7682FJ am
Gate-Treiber-Ausgang eine Spannung von über 22 V
bereit und ermöglicht so das Ansteuern jeder SiCbasierenden Schaltung.
Tabelle 1: IC-Varianten innerhalb der BD7682FJ-Produktfamilie.
IC-Name
12
Feature
FBOLP
VCCOVP
BD7682FJ
Auto-Restart
Latch
BD7683FJ
Latch
Latch
BD7684FJ
Auto-Restart
Auto-Restart
BD7685FJ
Latch
Auto-Restart
Schutzfunktionen
Der BD7682FJ bietet verschiedene Schutzfunktionen
wie Softstart, Überstrombegrenzung, Überspannungs-, Überlast- sowie Brown-Out-Schutz. Wenn
die Eingangsspannung sehr hoch wird, senkt der
Baustein die Einschaltzeit des MOSFET und erhöht
die Betriebsfrequenz. Eine strombegrenzende Schaltung mit einer konstanten Referenz würde als Folge
davon einen zu hohen Überstrom zulassen. Der
BD7682FJ erkennt jedoch diesen Betriebszustand und
passt das Limit entsprechend an. Bricht hingegen die
Eingangsspannung (kurzzeitig) ein, würde dies zu
einer sehr langen Einschaltzeit führen und damit zu
einer übermäßigen Erwärmung des MOSFET. Diesen
Störfall erkennt der Brown-Out-Monitor rechtzeitig
und schaltet die DC/DC-Funktion zum Schutz des
MOSFET aus.
Darüber hinaus passt der BD7682FJ bei schwankender Eingangsspannung seine Stromsteuerung an
und die Burst-Modus-Funktion reduziert den Eingangsstrom bei geringer Leistung. Eine spezielle GateKlemmschaltung sorgt für eine optimale Ansteuerung
des SiC-MOSFET. Der Baustein begrenzt die Ausgangsspannung, um die Gate-Spannung des MOSFET
exakt zu definieren. Der Quasiresonanzbetrieb
ermöglicht darüber hinaus ein weiches Schalten und
Bild 3: Das Wandler-IC
passt die Schaltfrequenz und den Betriebsmodus (DCM/
BCM) fortwährend an
die jeweilige Last an.
Bild 4: Leistungseffizienz eines 50-W-
Referenzdesigns mit
dem AC/DC-Controller BD7682FJ und SiCMOSFETs.
3
hilft, die elektromagnetischen Interferenzen (EMI)
gering zu halten. Die Verwendung eines externen
Schalt-MOSFET und externer Stromerfassungswiderstände lässt Entwicklern einen großen Spielraum,
während die Burst-Modus-Funktion und die verringerte Schaltfrequenz bei geringer Last die Energiebilanz verbessern.
Passend dimensionieren
Beim Dimensionieren des SiC-MOSFET müssen Entwickler die maximale Spannung zwischen Drain und
Source, Spitzenstrom, Verluste aufgrund von RON und
die maximale Gesamtverlustleistung des Gehäuses
berücksichtigen. Bei niedrigerer Eingangsspannung
verlängert sich die Einschaltzeit des MOSFET und die
Abwärme durch ohmsche Verluste nimmt zu. Daher
sollte man zur Sicherheit die Temperatur des MOSFET
in der tatsächlichen Anwendung überprüfen sowie
gegebenenfalls einen externen Kühlkörper hinzufügen. Der SiC-MOSFET SCT2H12NZ von Rohm bietet
zum Beispiel aufgrund der hohen Drain-SourceDurchbruchspannung von 1700 V mit gleichgerichteten Eingangsspannungen bis 1000 V DC immer noch
ausreichend Sicherheitsmarge für Spannungsspitzen.
Gleichzeitig zeichnet den MOSFET eine hohe kontinuierliche Stromtragfähigkeit von 3,7 A aus, womit
er sich für Anwendungen mit Ausgangsleistungen
bis 50 W mit empfohlener Sicherheitsmarge eignet.
Die Durchbruchspannung des Eingangskondensators
sollte mit einem Faktor von mindestens 1,3 über der
maximalen Eingangsspannung liegen.
Für die Ausgangsgleichrichtung eignet sich eine
Hochgeschwindigkeitsdiode (Schottky-Diode oder
schnelle Freilaufdiode). Auch hier empfehlen sich
Nennwerte mit entsprechendem Sicherheitsfaktor,
um Spannung und Strom nur zu 70 % und 50 % zu
belasten. Die Ausgangskondensatoren sind auf Basis
der zulässigen Peak-to-Peak-Rippelspannung der
Ausgangslast ΔV PP und des Rippelstroms zu bestimmen. Aus der gewünschten maximalen Restrippelspannung lässt sich mithilfe von Transformatorprimärstrom und Windungsverhältnis der maximal
zulässige äquivalente Serienwiderstand (ESR) des
4
Ausgangskondensators bestimmen. Dabei ist auch
darauf zu achten, dass man Werte aus dem Datenblatt
auf die berechnete AC/DC-Wandler-Schaltfrequenz
skalieren muss. Aus diesen Größen lässt sich mithilfe des Tastverhältnisses der Rippelstrom berechnen,
für den der Kondensator ausgelegt sein muss.
Die Spannungsfestigkeit des Kondensators sollte etwa
das Doppelte der Ausgangsspannung betragen. Ein
zusätzlicher LC-Filter kann das Ausgangsrauschen
abschwächen.
Unter Berücksichtigung dieser Design-Aspekte hat
Rohm ein Referenzdesign mit dem BD7682FJ entwickelt, das eine Dreiphasenwechselspannung in eine
24-V-Gleichspannung mit über 50 W Ausgangsleistung umsetzt. Bei kompakter Baugröße erreicht das
Design über einen weiten Lastbereich hohe Effizienzwerte von über 90 % (Bild 4).
Gemeinsam stark
In zahlreichen industriellen Hochspannungsanlagen
spielen Wirkungsgrad, Gewicht und Baufläche eine
immer bedeutendere Rolle, in der Produktentstehung
sollen Design- und Produktionsaufwand sowie Kosten gering bleiben und gleichzeitig hohe Betriebssicherheit garantiert sein. Durch eine spezielle Geometrie der unterschiedlich dotierten Halbleiterzone, vergrößerte Grenzschichtflächen sowie innere E-FeldVerteilung hat Rohm die Leistungs- und Schaltcharakteristiken der SiC-Leistungsbausteine der dritten
Generation optimiert und die einzelnen Leistungskomponenten optimal aufeinander abgestimmt. Insgesamt lassen sich dadurch Schaltspannungen, ‑ströme und -frequenzen deutlich erhöhen, Verlustleistungen verringern und Temperaturabhängigkeiten
besser kompensieren. (lei)
n
Autor
Andrea Colognese
LSI Marketing Manager bei
Rohm Semiconductor in Willich.
13
Digital statt analog
High-Cap-Ladung mittels Buck-Boost-Topologie
Thomas Reimer - Fotolia
Stromversorgungen
Um eine High-Cap-Batterie von 12 × 6000 F (zusammengesetzt aus 500-Farad-Kondensatoren) im Spannungsbereich ab 0 V bis 30 V an einer 12- und 24-V-Bordnetzspannung laden zu können, bedarf es einer Buck-BoostTopologie. Hier hat im Hause Syko durch den Einsatz von DSPs die digitale Zukunft begonnen. Die DigitaltechAutor: Dipl.-Ing. Reinhard Kalfhaus
nik hat die bisherige analoge Struktur jetzt komplett abgelöst.
zu erreichen, wurde ein „verstärkter“ Filteraufwand betrieben, was viel Platz bei
den hohen Strömen in Anspruch nimmt.
Im Filter und in der Chopperei musste auf
Elektrolytkondensatoren verzichtet werden, es wurden wegen der sehr hohen
Chopperströme und dem Temperaturbereich Folie- und Polymerkondensatoren
eingesetzt. Ein adaptiver aktiver Transientenschutz absorbiert die Langzeitüberspannung oberhalb 36 V und schützt sich
selbst über die Zeit und die nachfolgende
Bild 1: Der Buck-Boost-Wandler CLW. Der aktive
Leistungsteil ist komplett in SM-Technologie realisiert,
und das erforderliche Wärmemanagement wurde modifiziert.
14
Choppertopologie vor zu hohen Spannungen. Das AFI-Filter begrenzt außerdem die Aufschaltströme auf die nachfolgenden hochkapazitiven Chopper-Eingangskondensatoren.
Die Buck-Boost-Topologie ist eine uralte Topologie als offene H-Brücke. Sowohl
im Hochvoltbereich gewinnt sie durch
GaN/SiC-Halbleiter als auch im Niedervoltbereich durch erheblich verbesserte
Leistungs-FETs mit verhältnismäßig
schnellen Dioden. Um die Kirchturm-
Bilder: Syko
B
ild 1 zeigt einen 1000-W-BuckBoost-Wandler mit kaskadierten
Stromstrings im InterleavingBetrieb, wodurch eine Filterfrequenz von
200 kHz erreicht wird. Der Wandler ist an
Bordnetzen von 9 bis 36 V einsetzbar, bis
50 V auch 50 ms und 70 V bis 2 ms lang.
Die im Prozessor zu berücksichtigenden
Parameter sind I Emax = 50 A, I Amax = 70 A,
Pmax = 1 kW im Temperaturbereich von -45
bis 70 °C, kurzzeitig auch bis 85 °C. Um
eine EMV wesentlich besser als EN55022B
PRÄZISIONS-LEISTUNGSVERSTÄRKER / LASTEN
Stromspitze des Einschaltstromes gering
zu halten, muss bei
einer Synchronstufe,
bei der die Diode durch einen
Off-Transistor ersetzt wird, die
Sperrverzugszeit während der Strom durch
die Chipdiode fließt, gering sein und die Totzeit während der Ablösung von Off auf On
– also der Stromfluss durch die Diode von
etwa 100 ns sehr gering gehalten werden.
Durch die Synchrontopologie verbessert
sich der Wirkungsgrad, da die Verlustleistung um mehr als 30 % sinkt. Bei einem
Strom von maximal 80 A dynamisch muss
Durch die Synchrontopologie verbessert sich
der Wirkungsgrad, da
die Verlustleistung um
mehr als 30 % sinkt.
auf 2 × 40 A kaskadiert werden, was ebenfalls die Verlustleistung reduziert. Allerdings verlangt das Stromkaskadieren
stromgeregelte Strings mit gleichem Sollwerteingang. Damit ist jede Stufe referenzgenau mit dem halben Gesamtstrom
belastet. Ein wesentlicher Vorteil synchrongeschalteter Buck- und Boost-Stufen
ist, dass der Drosselstrom nicht lückt und
die Stromwelligkeit „beliebig“ groß sein
darf. Ein wesentlicher Nachteil ist die
Rückspeisung des Ausgangskondensators
über den Toff-Transistor.
Saubere Strom-Spannungsflanken
Um nun die Effektivstrombelastung der
Kondensatoren und die Welligkeit am Eingangsfilter zu verringern, werden die
stromkaskadierten Strings im Interleaving-Betrieb mit 180° Phasenversatz
gefahren. Die Signale zeigen sehr saubere
Strom-Spannungsf lanken und eine
Bedämpfung der Flanken ist erreichbar
und dies ohne Wirkungsgradverlust aber
mit EMV-Gewinn. Damit die On-Signale
Eck-DATEN
Der Buck-Boost-Wandler CLW ermöglicht
das Laden von Kondensator-Batterien an
Netzen mit 9 bis 36 V mit einer Leistung von
1000 W. Erstmals kam hier eine vollständig
digitale Regelung zum Einsatz.
bis 100 % arbeiten können, wurden über
einen Housekeeper (8 bis 80 V) alle Potentialebenen mit -4/+12 V für die Gatetreiber
versorgt. Generell arbeitet die Prozessorebene als Insellösung in der PWM-Verarbeitung sowie der Strom- und Spannungserfassung.
Um Ruhe in die Istwert-Erfassung zum
Prozessor zu bringen, arbeitet diese adaptiv zur Flankenansteuerung, sodass der
Istwert nicht während eines Schaltvorganges erfasst wird. Syko arbeitet seit 40
Jahren mit unterlagerten Stromregelkreisen im Average-Current-Mode, und diese
erhalten von einem gemeinsamen Spannungsregelkreis das verstärkte und
begrenzte Fehlersignal als gemeinsamen
Stromsollwert. Die Hochstromanschlüsse
sind mit verschiedenen Gewindeanschlüssen für entsprechende Kabelstärke und
Kabelschuhe ausgelegt. Ein Kommunikationsstecker als potentialgetrennte Insellösung zum Leistungsteil hat die Funktion
des polaritätsfreien Inhibit mit 5 bis 36 V
plus Überspannung und konstant 2 mA,
eine 5-V-Hilfsspannung/100 mA, eine
Sollwertvorgabe 4 bis 20 mA, IstwertSpannung und Istwert-Strom sowie eine
CAN-Schnittstelle mit Potentialtrennung
für eine Bedienoberfläche.
Antriebstechnik
Energietechnik
Kalibrierung
Komponententest
Laboraufgaben
Isoliermessverstärker
Tel.: 089 / 89 70 12-0
[email protected]
Professional Power
Abschied von Analogtechnik
Der langsame Abschied von der Analogtechnik ist auch die Lösung des Generationenproblems. Die Geschäftsleitung hat
für die jungen Entwickler bei Syko den
Prozessor und die digitale Regelung freigegeben und die „Jugend“, gepaart mit der
Erfahrung, kann nun komplexe Systemtechnik mit komplexer Regeltechnik und
Funktionalität innerhalb von sechs Monaten zur Serienreife bringen.
Positiv überrascht ist die Seniorenmannschaft, wie Pflichtenheftparameter
oder Funktionen verknüpft und verändert
werden können, wenn die Werte im Rechner mal drin sind. Da Leistungskomponenten im mobilen Bereich mit ihren Temperaturanforderungen meistens auf maximale Leistung ausgelegt sind, soll der
Wirkungsgrad auch dort, wo die größte
Verlustleistung entsteht, maximal sein.
Dies verhält sich anders als bei Netzteilen,
die für die halbe Leistung konfiguriert sind
und beim Dauereinsatz die meiste Energie
über Jahre einsparen sollen und Maximal-
OP-LED-Beleuchtung
Schaltnetzteile
für medizinische
Anwendungen
• maßgeschneidert
• intelligent
• effizient
Customized Solutions
Made in Germany
www.inpotron.com
Stromversorgungen
Ausgangskennlinie bei konstanter UE = 24 V
Wirkungsgrad in %
97,00
96,00
800 W
95,00
18
20
22
24
26
Bidirektionaler Betrieb
28
Ausgangsspannung UA in V
Bild 2: Wirkungsgradkennlinie für 28 V Ausgangsspannung und 1000 W Nennleistung bei konstanter
Eingangsspannung UE von 24 V.
Wirkungsgrad in %
97,00
96,00
800 W
400 W
200 W
95,00
94,00
93,00
16,00
18,00
20,00
22,00
24,00
26,00
28,00
30,00
32,00
34,00
Eingangsspannung UE in V
Bild 3: Die Wirkungsgradkennlinie für eine konstante Ausgangsspannung UA von 16 V und eine Nennleistung von 800 W.
leistungen nur dynamisch angefahren
werden. Ob und wie viel der Prozessor
gegenüber analoger Regelung an Vorteilen
bringt, ist, bezogen auf den Wirkungsgrad,
eher null, funktional ist er unübertroffen.
Dabei dürfen dem DSP keine Attribute
zugeschrieben werden, die durch Unwissenheit um interessante Schaltungstopologien und deren exakte Anwendung entstehen können. Der Einsatz moderner
Leistungshalbleiter und Steuerbausteine,
der Einsatz dieser im optimalen Wirkungsgradfeld und eine gesicherte Funktiona-
Bild 4: Screenshot eines Lastwechsels bei
UE = 24 V und UA = 16 V, von 20 A auf 45 A.
16
alisten mit der Fähigkeit, den DSP zu
beherrschen. Dabei hilft Geduld und Integration, aber auch das Wissen, dass es
hohe Aufwendungen für die Veränderung
der Organisationsstruktur bedarf.
Der hier erreichte Wirkungsgrad bei
maximaler Leistung beträgt 97 % inklusive des Filteraufwandes, aktivem Transientenschutz und allen Hilfsspannungsversorgungen bei einer Konfiguration für
diesen weiten Eingangsspannungsbereich.
lität bei optimalem Wärmemanagement
ermöglichen spürbare Verbesserungen bei
Funktion und Lebensdauer.
Die Summe der funktionalen Integration in
den DSP ermöglicht
Bauteileeinsparung und
Anwendungsflexibilität.
Der DSP bringt im maximalen Leistungsbereich eher keine Verbesserung des
Wirkungsgrades, aber in den Randbereichen können durch funktionale Adaption
Gewinne erzielt werden. Die Summe der
funktionalen Integration in den DSP
ermöglicht Bauteileeinsparung und
Anwendungsflexibilität. So wäre diese
beschriebene Buck-Boost-Topologie in
Bidirektionalität mit stromkaskadierten
Strings ohne Prozessoranwendung in dem
eingegrenzten Parameterfeld überhaupt
nicht denkbar. Es entwickeln sich Jungingenieure sehr schnell zu Topologiespezi-
Ist die Buck-Boost-Topologie flexibel mit
allen Parametern im DSP aufgebaut, dann
ist das Umschalten auf einen bidirektionalen Betrieb verhältnismäßig einfach.
Dynamisch könnte das Bordnetz rückspeisend aus den Caps mit über 100 A versorgt werden. Bei der Ladung der Caps
entsteht eine Spannungsunsymmetrie, die
umgekehrt proportional zur Differenz der
Zellenkapazitäten ist. Aber das haben die
Cap-Hersteller mittlerweile im Griff und
da hilft es, die Summe der Zellenspannungen 10 % unter den maximalen Spannungswert zu legen. Sollte Zeit zur Symmetrierung der Zellen gegeben sein, so
kann man diese aktiv oder verlustbehaftet
symmetrieren und kurz vor Nutzung mit
Schnellladung auf den maximalen Wert
anheben. Mit entsprechender Kapazität
250 oder 500 Farad ist es gemäß dem SykoPatentanspruch möglich, die Kondensatoren aus einer fast leeren Batterie zu laden
und die Cap-Energie auf den Starter zu
„schießen“. Damit lassen sich große Trucks
mit einem System als Notstarteinrichtung
(Patentverfahren) ohne Batterie starten.
Aus fast leerer Batterie laden
Wer diesen Weg in neue Kompetenzbereiche geht, benötigt für die erforderlichen
Investitionen eine gut gefüllte „Kriegskasse“. Syko hat dafür keine Hilfe durch
Forschungs- und Entwicklungsgelder aus
dem Topf für KMUs erhalten. (ah)
■
Autor
Dipl.-Ing. Reinhard Kalfhaus
geschäftsführender Gesellschafter der Syko
Gesellschaft für Leistungselektronik mbH.
infoDIREKT
605ei0416
ISOLIERENDER 400-W-AC/DC-WANDLER
Wandler mit PFC
Der VIA PFM, ein isolierender AC/DCWandler mit PFC, ist eine sehr kompakte,
isolierende AC/DC-Stromversorgungslösung mit weniger als 9,5 mm Dicke, die
bei Hy-Line Power Components lieferbar
ist. Das Modul nutzt aktive Power Factor
Correction (PFC) und arbeitet über einen
weiten Eingangsspannungsbereich von 85
bis 264 VAC. Weiterhin liefert der 400-WAC/DC-Wandler einen geregelten und isolierten 24- oder 48-V-SELV-DC-Ausgang
mit einer Leistung von bis zu 400 W und
er ist gegen Unterspannung, Überspan-
nung , Ü berstrom und Kurzschluss
geschützt. Gleichrichtung erfolgt extern.
Der hohe Wirkungsg rad (92 % bei
24-V-Ausgang) des Moduls und das thermisch effektive VIA-Gehäuse erleichtern
das Wärmemanagement in der Stromversorgung. Möglich ist der Betrieb von -40
bis 100 °C. Das Gehäuse mit den Abmessungen 124,8 × 35,5 × 9,3 mm 3 kann
sowohl auf Chassis als auch direkt auf die
Platine montiert werden. (ah)
■
infoDIREKT
694ei0416
HOCHEFFIZIENTE TISCHNETZTEILE
Internationale Messe und Konferenz
für Leistungselektronik, Intelligente
Antriebstechnik, Erneuerbare Energie
und Energiemanagement
Nürnberg, 10. – 12.05.2016
Connecting
Global Power
Bild: Emtron
Weiter Nennleistungsbereich
Die hocheffizienten Tischnetzteile der Serie GST
sind universell einsetzbar.
Mit den Tischnetzteilen der Serie GST
erfüllt Emton die verschärften Umweltvorschriften des US-Energieministeriums,
die als DoE Level VI bekannt und dort ab
Februar 2016 vorgeschrieben sind. Einen
weiten Nennleistungsbereich decken die
Tischnetzteile der Serie GST ab.
Die Geräte sind universell einsetzbar;
das Spektrum reicht von der ConsumerElektronik über Telekommunikation und
Bürogeräte bis hin zu Industrieausrüstungen. Generell eignen sich die Netzteile für
alle Anwendungsfälle, bei denen die Erfüllung der neuesten Energierichtlinien von
Bedeutung ist. Gemeinsame Merkmale
der GST-Familie sind ihre äußerst niedrige Energieaufnahme im Leerlauf und ihr
hoher Wirkungsgrad im Betrieb. Damit
erfüllen die Tischnetzteile die Vorgaben
des Energy Independence and Security
Act 2007 sowie des DoE Level VI. Zudem
genügen die Geräte aus der Fertigung von
Mean Well die internationalen Effizienzvorgaben NRCan, AU/NZ Meps, CoC Version V, sowie die geltende ÖkodesignRichtlinie der EU, bekannt unter dem
Kürzel ErP.
Die vier Modelle der Produktfamilie
decken den Nennleistungsbereich von 40
bis 120 W ab. Lieferbar sind die Modelle
GST 40A und GST 60A in acht Varianten
für Ausgangsspannungen zwischen 5 und
48 V DC, die Modelle GST90 A und GST120
A stehen in fünf unterschiedlichen Varianten für Spannungen zwischen 12 und
48 V DC zur Verfügung. Alle Tischnetzteile
sind konvektionsgekühlt und damit ist ein
Lüfter nicht erforderlich.
Der Betriebstemperaturbereich der
Tischnetzteile erstreckt sich von -30 bis
+70 °C . Weiterhin sind sie mit einem
flammhemmenden Kunststoffgehäuse
gemäß UL 94 V-0 ausgestattet. (ah)
■
infoDIREKT
693ei0416
Weitere Informationen
unter +49 711 61946-0
[email protected]
oder pcim.de
Stromversorgungen
1
Monat Betriebsdauer
1 mAh
Bild: Pauli N. - Fotolia
1%
Akku-Kapazität
Gesamteffizienz
Datenlogger für die Kühlkette
Energy Harvesting zum Aufladen des Akkus in einem RFID-Sensor-Label
Die Kühlkette in der Nahrungsmittel- und Pharmaindustrie braucht günstige und einfach bedienbare Klimadatenlogger. Um Temperatur und Luftfeuchtigkeit aufzuzeichnen, entwickelte ein Team der Zürcher Hochschule
für Angewandte Wissenschaften ein biegsames Sensoretikett (Sensor-Label), das auf jede Verpackung passt.
Autoren: Lukas Furrer, Roland Küng
Als Stromquelle dient ein ausgeklügeltes Energy-Harvesting-System.
E
infach ein Etikett aufkleben, das
fortlaufend Temperatur und Luftfeuchtigkeit misst und speichert:
das wäre die wohl einfachste Technik, um
die Kühlkette in der Nahrungsmittel- und
Pharmaindustrie sicher zu überwachen.
Schwierig ist vor allem die Stromversorgung. Auf dem Markt sind semi-passive
UHF-RFID-Datenlogger erhältlich, unter
anderem von Phase IV, Intelleflex oder
Caen RFID. Alle Datenlogger arbeiten
batteriebetrieben, meist durch Knopfzellen, mit einer Laufzeit von ein bis drei Jahren. Ein Team an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften sollte
stattdessen einen umweltfreundlichen,
wiederaufladbaren und drahtlosen Datenlogger-Sensor entwickeln.
Einzigartig an dem vorgestellten flexiblen Datenlogger ist die Bauhöhe von weniger als 0,8 mm inklusive eines 0,2 mm
dünnen und flexiblen Li-Ionen-Akkus, der
per HF-Energy-Harvesting seine Energie
18
drahtlos während des Auslesevorgangs
bezieht. seine Kapazität beträgt mit 1 mAh
nur ungefähr 0,2 % einer Knopfzelle, daher war beim Design ein geringer Stromverbrauch besonders wichtig. Das
Resultat war eine Laufzeit von
über einem Monat.
Das Sensor-Label erlaubt lückenloses Überwachen der klimatischen Bedingungen. Temperatur und Luftfeuchtigkeit
misst es mit dem Sensor-IC
SHTC1 von Sensirion, das
alle Anforderungen an Genauigkeit und Formfaktor
erfüllt. Dabei stellt der
UHF-RFID-Standard EPC
Gen2 weltweite Kompatibilität sicher. Der Prototyp
des Sensor-Labels in Bild 1
ist auf einer flexiblen Leiterplatte aus Polyimidfolie
aufgebaut.
Systemdesign
Das entwickelte System besteht aus dem
Sensor-Label und einem UHR-RFID-Lesegerät. Mit dem drahtlosen Lesegerät
identifizieren Anwender das
Sensor-Label, konfigurieren die
Messung, rufen die gesammelten Daten ab und laden den Akku. Das Blockdiagramm in Bild 2
zeigt die Komponenten des
Sensor-Labels. Der UHFR FID-Transponder bedient die Funkschnittstelle zwischen Label und Leser. Er ist verantwortlich
für die Datenübertragung
und das Gleichrichten der
hochfrequenten Wechselspannung. Die gleichgeBild 1: Flexibler Datenlogger
auf einer Medikamentenverpackung.
Bilder: ZHAW
TEST!
richtete Spannung dient dem Energy Harvester als Quelle und gleichzeitig als Wake-up-Signal für den Mikrocontroller.
Damit ist die MCU immer aktiv, sobald
das Sensor-Label ein Funksignal ausreichender Feldstärke erhält. Das HarvesterIC erfüllt verschiedene Funktionen. Es lädt
den Li-Ionen-Akku, solange die Feldstärke dazu ausreicht und der Akku noch nicht
voll ist, und es beinhaltet einen Spannungsregler zum Versorgen von Mikrocontroller (MCU) und Real-Time-Clock
(RTC). Um den Stromverbrauch zu senken,
wird der Temperatur- und Luftfeuchtesensor nur während einer Messung durch
die MCU mit Strom versorgt.
Die RTC startet Messungen unabhängig
vom HF-Feld. Nach einem Wake-up fragt
Eck-DATEN
Das Sensor-Label arbeitet semi-passiv: der
Transponder bezieht seine Energie direkt
aus dem HF-Feld, der Akku versorgt alle übrigen Komponenten. Deswegen muss während des Datentransfers ein HF-Feld anliegen. Die Modulation und das Kommunikationsprotokoll entsprechen EPC Gen2. Temperatur und Luftfeuchtigkeit kann das Label
in benutzerdefinierten Intervallen von 1 s
bis zu 4 h loggen, mit einer wählbaren Startzeit der ersten Messung. Der Mikrocontroller
kann bis zu 8000 Datensätze speichern. Datenloggen mit hoher Genauigkeit ist in einem Temperaturbereich von -10 bis +50 °C
und einem Bereich relativer Luftfeuchtigkeit
von 0 bis 100 %RH garantiert.
Bild 2: Blockdiagramm des wiederaufladbaren
Sensor-Datenloggers.
der Mikrocontroller vom Sensor Temperatur und Luftfeuchtigkeit ab, speichert
diese im nichtflüchtigen Speicher und geht
nach wenigen Millisekunden auf Standby
zurück. Auf Abruf vom Lesegerät sendet
die MCU die gesammelten Daten durch
den Transponder.
Halle 7, Stand 203
Energie sparen
Im Standby zwischen den Messungen beträgt der Stromverbrauch von Harvester,
MCU und RTC kombiniert lediglich 1 µA.
Der Transponder wird nicht vom Akku
versorgt und trägt dadurch nicht zum
Standby-Verbrauch bei. Der Verbrauch im
aktiven Modus ist vernachlässigbar aufgrund der extrem kurzen Dauer einer Messung im Verhältnis zu den Standby-Phasen. Damit lässt sich die Laufzeit des LiIonen-Akkus mit 1 mAh Kapazität auf
rund sechs Wochen bestimmen.
Drückt der Anwender auf einen Taster
oder unterschreitet der Akku die Tiefentladungsgrenze, dann schaltet der Harvester die Versorgungsspannung ab und versetzt das Sensor-Label in den Tiefschlaf.
In diesem Modus sinkt der Stromverbrauch auf typisch 10 nA, ungenutzte
Labels lassen sich über Jahre lagern, ohne
dass der Akku tiefentladen wird.
Um Platz zu sparen und eine zuverlässige Fertigung sicherzustellen, sollte das
Mit Lastwiderständen von FRIZLEN
die Leistungsfähigkeit von
Spannungsquellen testen.
USV-/ Notstromanlagen
Laborprüfungen
Lastsimulation (auch für 19"-Rack)
FRIZLEN Leistungswiderstände
Belastbar
Zuverlässig
Made in Germany
Tel. +49 7144 8100-0
www.frizlen.com
Stromversorgungen
Design mit der kleinstmöglichen Anzahl
Komponenten auskommen. Um künftig
auch Aufkleb-Labels zu ermöglichen, war
eine einseitige und flexible Leiterplatte
ohne Durchkontaktierungen nötig, was
an ein hochfrequenztaugliches Layout
einige Anforderungen stellt. Das ganze
Label sollte maximal 0,8 mm hoch sein,
um biegsam zu bleiben. Die Dipolantenne
wurde durch eine Simulation für das europäische UHF-RFID-Frequenzband von
865 bis 870 MHz dimensioniert.
Bild 3 zeigt ein Funktionsmuster des
Sensor-Labels, mit der Antenne am oberen Rand. Die Antenne ist gefaltet, damit
das Label so klein wie eine Kreditkarte
bleibt. Die Anpassung der Antennenimpedanz von 50 Ohm auf die Eingangsimpedanz von (31 -j320) Ohm des SL900A
(heute AMS SL13A) wird durch eine einzige Induktivität von 33 nH erreicht (L2
in Bild 4). Alle Komponenten inklusive
Akku sind in ausreichendem Abstand zur
Antenne platziert, um deren Abstrahlcharakteristik nicht zu sehr zu beeinflussen.
Datenablage
Als Mikrocontroller wählten die Entwickler einen MSP430FR5749 von Texas Instruments. Das nichtflüchtige FRAM (Ferroelectric RAM) bietet Speicherplatz für
16 kByte Daten, dazu weniger Stromverbrauch, schnelleres Schreiben und mehr
Schreibzyklen als die verbreiteten FlashSpeicher. Durch die externe RTC lässt sich
der Stromverbrauch im Standby weiter
senken. Die Auflade-LED (rot in Bild 3)
leuchtet, wenn Energy Harvesting stattfindet, was bei ausreichender Feldstärke
im UHF-Bereich der Fall ist. Die Log-LED
dient zum Signalisieren verschiedener
Label-Zustände mit kurzen Blitzen, etwa
wenn ein Wake-up stattfindet.
Für das Energy Harvesting ist der MAX
17710 von Maxim zuständig, da er ab einer
Eingangsspannung von 0,75 V und einer
Eingangsleistung von 1 µW mit dem Harvesten beginnt und kaum externe Komponenten benötigt. Bild 4 zeigt den Energy-Harvesting-Schaltungsteil des SensorLabels. Am V POS-Pin des RFID-Transponders liegt die gleichgerichtete Spannung
an. Die Versorgungsspannung für den
Messteil ist auf 2,3 V geregelt.
Sobald V POS eine Spannung von 0,75 V
plus 1,6 V Flussspannung von D2 über-
20
Bild 3: Funktionsmuster
des Sensor-Labels als
konventionelle Leiterplatte.
steigt, beginnt das Energy Harvesting und
der Akku wird geladen. Dies funktioniert
bis zu einer Distanz von 40 cm zwischen
dem Label und einem Leser, der mit 1 W
HF-Leistung sendet. Über weitere Distanzen im Meterbereich können Anwender
das Label immer noch abfragen, aber die
LED D2 unterbindet das Laden des Akkus:
Die Sensitivität des Transponders nimmt
ab, wenn er bei knapper Energie auch noch
den Harvester versorgen muss. Außerdem
stellten die Entwickler fest, dass ein stabiles Aufstarten des Harvester-Chips im
HF-Feld nur bei einer Quellenspannung
kleiner als 1 V stabil funktioniert.
Um den Harvester zu aktivieren und in
den gewünschten Betriebsmodus zu versetzen, muss eine Pulsfolge an den Pins
AE und LCE anliegen. Weil der Mikrocontroller diese Aufgabe im spannungslosen
Anfangszustand nicht übernehmen kann,
erzeugt ein Flankendetektor (C2 und R6)
die Pulse. Nach Aktivierung befindet sich
der Harvester im Zustand AE und LCE
Active (siehe Datenblatt MAX17710), in
dem er einerseits genügend Strom liefert
und andererseits eine Abschaltung aktiviert, wenn der Akku einen Unterspannungswert von 3 V erreicht. Das schützt
den Akku bei kleinen Arbeitsströmen.
Akku-Auswahl
Flache und biegbare Li-Ionen-Akkus sind
noch nicht sehr verbreitet. Die Entwickler
testeten eine Thinergy MEC201 von Infinite Power Solutions, die derzeit nicht
mehr erhältlich ist, eine Enfilm EFL700A39
von ST Microelectronics und einige flache,
jedoch nicht biegsame Produkte von Powerstream und Jinke Energy Development.
Um die Funktion des Sensor-Labels bei
Temperaturen unter 0 °C zu gewährleisten,
ist ein großer Stützkondensator (C7 in
Bild 4) zwischen Akku und Spannungs-
regler nötig, weil der Innenwiderstand bei
flachen Li-Ionen-Akkus mit sinkender
Temperatur stark zunimmt. Ein Innenwiderstand von mehr als 1 kOhm bei -10 °C
ist nicht unüblich, was nicht mehr ausreicht, um den Einschaltstrom für den
Mikrocontroller zu liefern, wobei Spitzenströme von über 35 mA auftreten. Deshalb
stammt die Energie für die kurze Messdauer aus dem Stützkondensator, welcher
sich anschließend im Standby über lange
Zeit wieder auflädt. C7 ist so dimensioniert, dass die Spannung im Betrieb bei
der tiefsten Temperatur in keinem Fall
unter die 3-V-Unterspannungsgrenze
sinkt. Der Ladestrom in den Akku nimmt
bei tiefen Temperaturen ebenfalls ab.
Wirkungsgrad des Transponders
Das Sensor-Label lässt sich mit einem
tragbaren UHF-RFID-Leser mit 1 W Sendeleistung (EIRP zirkular) über eine Distanz von einem Meter auslesen. Der LiIonen-Akku wird über 40 cm aufgeladen,
bei Temperaturen über +10 °C. Bei einer
Distanz von 20 cm und der Arbeitsfrequenz von 868 MHz beträgt die Freiraumdämpfung 17 dB. Das zirkular polarisierte Feld des Lesegeräts hat den Vorteil, dass
eine axiale Rotation des Sensor-Labels die
Empfindlichkeit nicht beeinträchtigt.
Nachteilig ist ein systembedingter Verlust
von 3 dB beim Empfang mit einer Dipolantenne. Demnach erreichen den Transponder von der abgestrahlten Leistung
noch ein Zehntel, also 10 mW, was eine
Messung mit dem Spektrumanalysator an
der Antenne bestätigt. Am Gleichrichterausgang des Transponders ließen sich für
diesen Fall etwa 2 mW Leistung messen.
Der Wirkungsgrad des Transponders
beläuft sich somit auf 20 %. Die LED D2
reduziert die Leistung auf ein Viertel. Diesen Nachteil haben die Entwickler in Kauf
ZUHÖRER.
Wir haben immer ein offenes
Ohr für unsere Kunden.
Interessiert. Ehrlich. Hilfsbereit.
SPEISE- UND
RÜCKSPEISE-SYSTEM
Regatron TC.GSS
Bild 4: Energy-Harvesting-Schaltung des Sensor-Labels.
genommen, weil das Label so mit nur
einem Bauteil (LED D2) das Energy Harvesting bei kleiner Empfangsleistung
abstellt. Der Vorteil ist eine höhere Reichweite zum Steuern und Auslesen des Sensor-Labels. Der Harvester sieht also eine
Eingangsleistung von 0,5 mW und lädt den
4-V-Akku noch mit 0,1 mW respektive
25 µA, was einem Wirkungsgrad von 20 %
entspricht. Das Laden der vollen Akkukapazität von 1 mAh über eine Distanz von
20 cm dauert also 40 h. Bei halber Distanz
halbiert sich auch die Ladezeit.
Der gesamte Wirkungsgrad des HFEnergy-Harvesting auf dem Sensor-Label
von der Empfangsleistung am Transponder bis zur Ladeleistung des Li-IonenAkkus beträgt gerade noch 1 %. Dass der
Wirkungsgrad so klein ausfällt, hat einerseits mit den Einschränkungen beim Design zu tun. Andererseits nimmt der Wirwww.elektronik-industrie.de
kungsgrad von Gleichrichter und Harvester bei kleinen Leistungen stark ab, weil
Schalt- und Diodenverluste immer mehr
zum Tragen kommen. Durch andere Harvester-Chips mit mehr Bauteilen und effizienterem HF-Gleichrichter ließe sich
der Wirkungsgrad erhöhen. Noch besser
wäre, Transponder und HF-Harvester auf
einem Chip zu integrieren. (lei)
n
Autoren
LABORSTROMVERSORGUNG
Delta Elektronika SM3300-Serie
PCIM Europe, Nürnberg
10.-12. Mai 2016
Halle 6 Stand 103
Lukas Furrer
ZHAW, Zürcher Hochschule für
Angewandte Wissenschaften.
Roland Küng
ZHAW, Zürcher Hochschule für
Angewandte Wissenschaften.
Schulz-Electronic GmbH
Dr.-Rudolf-Eberle-Straße 2
D-76534 Baden-Baden
Fon + 49.7223.9636.0
[email protected]
www.schulz-electronic.de
Bild: Pavel Timofeev - Fotolia
Stromversorgungen
Immer schön der Reihe nach
Vorteile integrierter Powermanagement-Lösungen
Hardware-Entwicklungen mit komplexen Prozessoren benötigen meist mehrere Versorgungsspannungen, die beim Hochfahren des Systems in einer bestimmten Reihenfolge
einschalten müssen. NXP zeigt, dass Powermanagement-Lösungen in Form eines IC
Autor: Nitin Kalje
gegenüber diskreten Lösungen Vorteile haben.
E
in typisches Multimediasystem kann aus einem Prozessor
der i.MX 6-Serie mit zwei oder vier Rechenkernen inklusive 2D- und 3D-Grafikprozessoreinheit bestehen und
darüber hinaus einen Prozessorblock für Videos mit 3D und
1080p-Auflösung sowie Schnittstellen für DDR Memory, WLAN,
Bluetooth, GPS, Audioverstärker und verschiedene Sensoren
enthalten. Blitz- und Kamerasteuerung sowie Aktuatoren, SD,
eMMC-Speichersteuerung und Kommunikationsschnittstellen
wie USB, HDMI, SATA, LVDS und mPCIe sind weitere Merkmale eines Multimediasystems (Bild 1).
Unterschiedliche Versorgungsspannungen
Über eine ähnliche Ausstattung können auch Netzwerkgeräte
wie etwa IoT-Gateways verfügen. Neben einem Dual-CoreKommunikationsprozessor des Typs LS1021x und einem Audioblock enthalten typische Netzwerkgeräte einen integrierten Flashspeicher, DDR-Speicher, Displaysteuerung und mehrere SerdesSchaltungen für Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie PCIexpress, SATA und SGMI-II. Für alle Schnittstellenschaltungen
in den Prozessoren sowie in den Peripheriemodulen sind unterschiedliche Versorgungsspannungen erforderlich (Bild 2).
Zum erfolgreichen Hochfahren des Systems muss die Versorgung aller Schaltungsfunktionen in der richtigen Reihenfolge
erfolgen (Bild 3). Auch eine Überwachung auf Fehler während
des Betriebs ist unverzichtbar. Die Entwicklung eines geeigneten
Stromversorgungssystems ohne Einschränkungen der Produktqualität ist mit diskreten Leistungskomponenten praktisch
unmöglich. In einem anderen Szenario können bei einem ungeeigneten Stromversorgungssystem Spannungsspitzen einen
unsauberen Bootvorgang oder unerwartete Systemausfälle her-
22
beiführen. Im schlimmsten Fall kann der Strom komplett ausfallen oder die Netzspannung stark absinken und das Systemverhalten beeinträchtigen. Ein Ausfall der Versorgungsspannung
ist jedoch meist unproblematischer als die Auswirkungen einer
ungeordneten Einschaltreihenfolge der Bauteile.
Die Fähigkeit von Powermanagement-ICs, zentral alle LDOs,
DDR- und Schaltreglerblöcke auf Überspannung, Überstrom
und Übertemperatur hin zu überwachen und die einzelnen Versorgungsspannungen zu steuern, erlaubt ein „sanftes“ Abschalten des Systems. Die Unwägbarkeiten des Systemverhaltens bei
einem Wiederanlauf nach einem Spannungsausfall lassen sich
mit den Powermanagement-ICs MMPF0100, MC34PF3000 und
MC34VR500 von NXP beherrschen.
Beim MMPF0100 handelt es sich um eine programmierbare
Powermanagement-Lösung, die für 11,7 A ausgelegt ist, über 14
Kanäle verfügt und die Applikationsprozessoren der i.MX 6-Familie adressiert. Mit dem MC34PF3000 können Entwickler auf eine
ebenfalls programmierbare Lösung zurückgreifen. Diese ist für
7,2 A ausgelegt und adressiert mit ihren zwölf Kanälen die Applikationsprozessoren i.MX 6UL und i.MX 7. Der Baustein
MC34VR500 ist ein Vierfach-Abwärtsregler mit einem Spitzen-
Eck-Daten
Moderne Mobilgeräte wie Smartphones und Tablets, die hohe Rechenleistung auf kleinstem Raum bieten und über zahlreiche Schnittstellen verfügen, sind ohne Powermanagement-ICs (PMICs) undenkbar. Die PMIC-Serien PF0100, PF0200, PF3000 und VR500 von NXP können diskret aufgebaute Powermanagement-Lösungen, die in Kosten
und Entwicklungsaufwand leicht ausufern, ersetzen und die Time-toMarket verkürzen.
strom von 4,5 A und fünf anwenderprogrammierbaren LDOs für
Kommunikationsprozessoren wie zum Beispiel den FamilienLS1
und T1. Diskret aufgebaute Powermanagement-Lösungen eignen
sich oft für eine Vielzahl von Plattformen und lassen sich aufgrund
hoher Stückzahlen bei der Abnahme der erforderlichen Bauteile
meist preisgünstig realisieren. Allerdings sind diskrete Lösungen
mit generischen Komponenten mit versteckten Kosten behaftet.
Powermanagement-Lösungen mit diskreten Bauteilen sind oft
nicht optimal an die Anwendung angepasst. Ein reibungsloses
Zusammenspiel mit den Zielprozessoren ist häufig fraglich, da
die Ausgangsspannungen und Einschwingzeiten diskreter Spannungsregler oft nicht den Toleranzvorgaben der Prozessoren
entsprechen. Der Einsatz einer weniger als perfekten Stromversorgungslösung kann sich negativ auf die Qualität eines Gerätes
und den Ruf des Herstellers auswirken. Auch der Formfaktor der
Powermanagement- beziehungsweise Stromversorgungslösung
spielt bei der Hardware-Entwicklung eine wichtige Rolle.
Ein typischer diskret aufgebauter DC/DC-Schaltregler benötigt
insgesamt bis zu 20 passive Komponenten für die Programmierung der unterschiedlichen Parameter, darunter Uout, Soft-Start,
Frequenz, Ein- und Ausgangsfilter, Sequencing, Regelschleifenkompensation und Synchronisation. Jeder LDO-Spannungsregler benötigt bis zu vier Komponenten, etwa Kondensatoren am
Ein- und Ausgang oder für den Soft-Start sowie für eine Anlaufverzögerung. Die Zahl der Bauteile summiert sich rasch auf vier
bis sechs Abwärtsregler und sechs LDOs, wobei das Powermanagement dieser Komponenten hohe Kosten verursachen kann.
Qualität,
unfassbar preiswert
Ingenieure in über 50 Ländern
vertrauen auf den vektoriellen
Netzwerkanalysator Bode 100.
Denn Bode 100 bietet präzise
Messergebnisse, einfachste Bedienung und ein unschlagbares
Preis-Leistungsverhältnis.
Messen Sie von 1 Hz bis 40 MHz:
• Regelkreisstabilität
• Eingangs- & Ausgangsimpedanz
• Bauteilimpedanzen
• EMV Filtereigenschaften
Versteckte Kosten einer diskreten Lösung
Als versteckte Kosten einer diskreten Lösung sind zunächst die
Leiterplatten- und Bestückungskosten zu nennen. Zwar erscheinen die Bestückungskosten pro Bauteil zunächst als vernachlässigbar, leisten aber einen signifikanten Beitrag zu den gesamten
Fertigungskosten, da sich oft hunderte Komponenten addieren.
In vielen Fällen übersteigen die Bestückungskosten sogar den
Preis des Bauteils selbst. Mehrlagige Leiterplatten mit engen
Toleranzen sind teuer. Höhere Leiterplattenkosten von bis zu 5
Cent pro cm² dürfen Entwickler bei der Entscheidung für eine
diskrete Implementierung nicht vernachlässigen (Bild 4).
Bild 1: Komplexe
Stromversorgung
für Applikationsprozessoren der
i.MX 6-Serie mit
dem Powermanagement-Baustein MMPF0100.
Gm
Mag(Gain)/dB
𝜑𝜑𝜑𝜑m
Bilder: NXP
Phase(Gain)/°
Smart Measurement Solutions®
Stromversorgungen
Bild 2: Komplexe Stromversorgung für Kommunikationsprozessoren der
Serie LS1021x mit der Powermanagement-Lösung MC34VR500.
Bild 3: Komplexe Einschaltsequenz (vordefiniert) des integrierten Powermanagement-Bausteins MMPF0100.
Weitere versteckte Kosten verursachen Logistik und Lagerhaltung, da die Lagerung und Verwaltung hunderter unterschiedlicher Bauteile eine logistische Herausforderung mit sich bringt.
Zusätzliche Ressourcen für die Lagerhaltung und die Gewährleistung einer unterbrechungsfrei arbeitenden Produktionslinie
gibt es nicht kostenlos.
Auch die Abmessungen der Powermanagement-Lösung verursachen versteckte Kosten. Bei jeder diskreten Implementierung
erhöhen sich die Abmessungen der Endlösung. Je nach Betriebsfrequenz und Art der passiven Filterkomponenten nimmt die
diskrete Implementierung im Vergleich zu einem Powermanagement-IC drei- bis fünfmal mehr Fläche auf der Leiterplatte ein.
Größere Geräteabmessungen ziehen aufwendigere Verpackungen und somit höhere Kosten für Lagerung, Versand und Installation nach sich.
Die Ausfallrate (MTBF) eines Gerätes ergibt sich in hohem
Maße aus der Zahl der Bauteile und der Lötverbindungen. So
hängt die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Gerätes von der Komplexität, der Qualität, der Anzahl der Bauteile und den Umgebungsbedingungen ab, in denen das Gerät arbeitet. Hunderte
zusätzlicher Komponenten auf der Stückliste einer diskreten
Lösung beeinträchtigen die MTBF in signifikanter Weise und
führen zu weiteren versteckten Kosten, etwa für Reparaturen.
Die Notwendigkeit für eine extreme Integration entspringt der
Forderung nach mehreren Versorgungszweigen bei gleichzeitiger
Minimierung der Geräteabmessungen. Leistungshungrige Prozessorsysteme sowie Netzwerk-Switches und -Router benötigen
eine dezentrale Versorgungsarchitektur, mit der sich sicherstellen lässt, dass sich die Point-of-Load-Regler (PoL) in unmittelbarer Nähe der elektronischen Lasten befinden. Bei energieeffizienten Geräten wie Wireless Access Points oder E-Book-Lesegeräten, wo man die Leiterplatte klein halten muss, ist eine Lösung
mit hoher Integrationsdichte unabdingbar.
Eine Einsparung von 60 %
Ein typischer Abwärtsregler mit 2 bis 3 A beansprucht je nach
Betriebsfrequenz und den gewählten passiven Komponenten
eine Leiterplattenfläche von etwa 100 bis 150 mm². Die größenoptimierte Lösung (bis 120 mm²) setzt auf einen Betrieb bei relativ
hoher Frequenz, kleine Keramikkondensatoren und kompakte
Induktivitäten. Ein typischer LDO-Spannungsregler mit 200 bis
300 mA benötigt etwa 25 mm² auf der Leiterplatte. Dies bedeutet aber, dass eine diskrete Lösung, mit der man ein Powermanagement-IC vom Typ MMPF0100 (vier bis sechs DC/DC-Wandler, sechs LDOs) ersetzen könnte, ungefähr 800 mm² auf der
Leiterplatte einnimmt. Im Vergleich dazu kann man eine Lösung
mit dem MMPF0100 auf 350 mm² unterbringen und so eine Einsparung von 60 % erzielen. Bei einer Leiterplatte mit sechs bis
acht Lagen reduzieren sich somit die Kosten deutlich.
Phasenversetzt schalten
Bild 4: Die Komponenten einer diskreten Powermanagement-Lösung
(links) und einer äquivalenten PMIC-Lösung.
24
Die Abmessungen der Powermanagement-ICs von NXP sind von
Grund auf optimiert. In den Bausteinen der Baureihe PF0100/
PF3000 arbeiten mehrere DC/DC-Wandler bei der gleichen Frequenz, jedoch phasenversetzt. Durch den Phasenversatz erhöht
sich die Schaltfrequenz am Eingangskondensator. So schalten
die vier DC/DC-Wandler im PF0100 mit 2 MHz, arbeiten aber
mit einem Phasenversatz von jeweils 90° zueinander, wodurch
die Frequenz der am Eingangskondensator vorhandenen Welligkeit effektiv auf 8 MHz steigt (Bild 5). Durch die höhere Eingangsfrequenz reduzieren sich die Anforderungen an den Eingangskondensator deutlich und die Gesamtlösung benötigt noch
Klimaparameter – Prozessleittechnik
mit Wetterstationen, Sensoren mit
Datenloggern und Anzeigeelementen
Bild 5: Durch den Phasenversatz in den Bausteinen der Baureihe PF0100/
PF3000 erhöht sich die Schaltfrequenz am Eingangskondensator.
weniger Platz. Zu beachten ist, dass ein Betrieb mit Phasenversatz
bei einer diskreten Lösung in der Praxis nicht realistisch ist, da
dieser Fall einen Taktgenerator und zusätzliche Synchronisation
erfordert, was die Kosten sowie die Komplexität erhöht.
Die zentrale Steuerung und Überwachung über den I2C-Bus
ist unverzichtbar, wenn es um die Versorgung komplexer Systeme geht, die zum Beispiel Applikationsprozessoren aus der Serie
i.MX und Kommunikationsprozessoren enthalten. Integrierte
Leistungsregler und Powermanagement-ICs mit I2C-Schnittstelle erlauben eine reibungslose Steuerung und Überwachung im
System. Über den I2C-Bus ist ein nahtloses Zusammenspiel zwischen internen Blöcken wie DC/DC-Wandler, LDOs, Temperatursensor, Unter- und Überspannungserkennung und Last in
Form des Hauptprozessors möglich. Bei einer diskreten Implementierung ist es oft schwierig, an einzelnen DC/DC-Wandlern
und LDOs Funktionen einzustellen und zu überwachen.
–– Wetterstationen–und–Sensoren–mit–einfacher–Installation–nach–dem–Plugand-Play-Prinzip,–Inbetriebnahme–in–typisch–5–10–Minuten
–– Wetterstationen–und–Sensorik–mit–Mikroprozessor–und–Datenlogger
–– Sensorik–zum–Messen–von–Temperatur,–Feuchte,–Luftdruck,–Windrichtung,–
Windgeschwindigkeit,–Globalstrahlung–und–Regenmenge,–UV-Strahlung,–
Helligkeit,–Blattfeuchte,–Bodentemperatur–…–
–– alle–Geräte–werden–mit–Kalibrierzertifikat–geliefert
–– analoge–und–digitale–Klein-–und–Großanzeigen–zum–Ablesen–über–10–m
–– ASCII-Schnittstelle,–RS232,–RS422,–USB,–GSM-Modul,–WLAN,–TCP/IP
–– Software–für–grafische–Darstellung–mit–Statistik–bis–zur–Gebäudeleittechnik–
–– mobile–Einsatzmöglichkeit,–Transportkoffer–mit–Stativ–und–Zubehör
–– Einsatz:–Flughäfen,–Forschung,–Wetterdienste,–Militär,–Agrar,–Formel–1–…
–– Ganzjahresbetrieb–mit–Heizung–(optional–wie–einige–andere–Positionen)
REINHARDT
System-–und–Messelectronic–GmbH
Bergstr.–33–D-86911–Diessen–Tel.–08196–934100–Fax–08196–7005–
E-Mail:–[email protected]–––http://www.reinhardt-testsystem.de
INDUSTRIAL POWER SUPPLIES
Weniger Bauraum, schneller am Markt
Es gibt gute Gründe, warum der Durchbruch der PMICs just mit
dem Boom kleiner Portabelgeräte wie Handys und Tablets mit
hoher Rechenleistung auf kleinstem Raum und einer Vielzahl
von Schnittstellen zusammenfällt. Die PMICs sind aus relativ
einfachen Vorgängern entstanden, die sich noch „Multi-OutputRegler“ nannten. Diese kamen in großem Umfang bei der Versorgung von Geräten wie Notebooks zum Einsatz. Für Gerätehersteller sind PMICs heute nicht mehr wegzudenken, wenn sie
mit den Erwartungen ihrer Kunden an zuverlässige Geräte Schritt
halten wollen. NXP liefert ein ganzes Spektrum robuster und
zuverlässiger PMICs wie PF0100, PF0200, PF3000 und VR500 –
diese können diskrete Lösungen ersetzen und verhelfen ganzen
Gerätegenerationen zu einer raschen Marktreife. (hb/ah)
■
PRODUZIEREN SIE SICHER UND VERLÄSSLICH.
MIT UNSEREN INNOVATIONEN.
Autor
Nitin Kalje
Market Segment Manager bei NXP Semiconductors.
infoDIREKT
POWER SUPPLIES MADE IN GERMANY
610ei0416
Am Standort Deutschland entwickelt und
produziert MTM Power vakuumvergossene
(EP 1 987 708, U.S. Patent No. 8,821,778 B2)
Stromversorgungen für anspruchsvolle
Anwendungen in rauer Industrieumgebung.
Vertrauen Sie MTM Power - führender
Power Supply Spezialist in Deutschland.
www.mtm-power.com
Bild: Jeanette Dietl - Fotolia
Stromversorgungen
Stromversorgung für schnelle ADCs
Versorgungsnetze entwickeln
Zur Versorgung von A/D-Wandlern mit Abtastraten im Gigasample-Bereich sind spezielle Stromversorgungsnetze erforderlich, die sich mit Linearreglern (LDOs) oder mithilfe von Schaltreglern entwickeln lassen. Um die
Autor: Umesh Jayamohan
Vor- und Nachteile beider Lösungen geht es in diesem Beitrag.
E
in A/D-Wandler (ADC) mit Abtastraten im GigasampleBereich und hoher Bandbreite kann mehrere Versorgungsbereiche haben (AVDD, DVDD und so weiter). Im
Zuge der verkleinerten Halbleitergeometrien ist nicht nur die
Zahl der Versorgungsbereiche gestiegen, sondern auch die Zahl
der unterschiedlichen Spannungen zur Versorgung der ADCs.
Zum Beispiel hat der in einem 180-nm-CMOS-Prozess hergestellte AD9250, ein zweifacher 14-Bit-A/D-Wandler mit 170 oder
250 MSample/s, drei Versorgungsbereiche (AVDD, DVDD und
DRVDD) mit der gleichen Spannung von 1,8 V.
Hingegen hat der in einem 65-nm-CMOS-Prozess gefertigte
AD9680, ebenfalls ein zweifacher 14-Bit-A/D-Wandler, jedoch
mit 1,25 oder 1 GSample/s beziehungsweise 820 oder 500
MSample/s, sieben verschiedene Versorgungsbereiche (AVDD1,
AVDD1_SR, AVDD2, AVDD3, DVDD, DRVDD und SPIVDD)
sowie drei verschiedene Spannungen: 1,25, 2,5 und 3,3 V.
Bilder: Analog Devices
Tabelle 1: Die verschiedenen Stromversorgungsnetze (PDNs) im Überblick.
26
PDN
Beschreibung
Labor
AD9680, versorgt von Labornetzteil
PDN #1
Serienmäßig vorhandenes PDN auf dem
Evaluation-Board (Bild 1)
PDN #2
Alle 1,25-V-Bereiche versort von einem
LDO (Bild 2)
PDN #3
Alle 1,25-V-Bereiche, versorgt von
einem DC/DC-Wandler
Eck-Daten
Schnelle A/D-Wandler, die im Gigasample-Bereich arbeiten, bieten
Systementwicklern die Möglichkeit, große Bandbreiten zur digitalen
Verarbeitung von Information zu nutzen. Zur Versorgung dieser GSPSoder HF-Sampling-A/D-Wandler waren rauscharme Linearregler (LDOs
oder Low-Drop-Out-Regler) bisher die Empfehlung der Wandlerhersteller. Damit GSPS-Wandler eine möglichst gleich bleibende Leistungsfähigkeit erzielen, setzen die Entwickler heute auf Stromversorgungsnetze mit oft mehreren Schaltreglern.
Stromversorgungen
Bild 1: Stromversorgungsnetz für das
Evaluierungsboard des AD9680 mit
den DC/DC-Wandlern ADP2384 und
ADP2164.
Diese Versorgungsbereiche und die
verschiedenen Spannungen sind bei
hohen Abtastraten für den Betrieb der
Wandler erforderlich, um die richtige Isolation zwischen Schaltkreisbereichen (Sample, Takt, digital, Serializer) sowie die erforderliche Leistungsfähigkeit sicherzustellen. Aus diesem Grund
entwickeln Hersteller von A/D-Wandlern Evaluierungsboards
und empfehlen ein sorgfältiges Stromversorgungsdesign.
Bild 1 zeigt das beim Evaluierungsboard AD9680 verwendete
Stromversorgungsnetz. Die DC/DC-Wandler ADP2384 und
ADP2164 bringen die Versorgungsspannungen von 12 V und 3,3
V auf handhabbare Pegel, damit die LDOs regeln können, ohne
aufgrund hoher Temperatur abzuschalten.
stehen bei der Implementierung von
Systemen mit mehreren ADCs einigen Herausforderungen gegenüber.
So enthält zum Beispiel ein Radarsystem hunderte A/D-Wandler des Typs AD9680, die alle synchron arbeiten. Pro Spannungsbereich einen LDO-Regler einzusetzen, würde erhebliche Kosten
verursachen.
Ein kosteneffizienteres Konzept besteht darin, Spannungsbereiche, die die gleichen Pegel (zum Beispiel alle Analogbereiche
mit 1,25 V) aufweisen und diese vom selben LDO aus erhalten,
zu kombinieren. So lassen sich die Zahl der Bauteile sowie die
Kosten reduzieren.
Vereinfachtes Stromversorgungsnetz
Leistungsfähig aber teuer
Das Stromversorgungsnetz in Bild 1 kann zwar eine hohe Leistungsfähigkeit bieten, verursacht jedoch hohe Kosten, da es sieben LDOs, einen für jeden Bereich, enthält. Systementwickler
Eine weitere Vereinfachung des Stromversorgungsnetzes lässt
sich erreichen, indem man den LDO, der die 1,25-V-Bereiche
versorgt, entfernt. Dies wäre die effizienteste und preiswerteste
Lösung. Die Herausforderung dabei ist jedoch, ohne Beeinträch-
Das neue Power Programm 2016
Programmierbare Labor- und Hochleistungsnetzgeräte (AC/DC)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Leistungen 160 W bis 15 kW (Systeme bis 300 kW)
Spannungen 0...16 V bis 0...12000 V
Ströme 0...4 A bis 0...510 A (Systeme bis 6000 А)
State-of-the-art µ-Prozessor Steuerung (FPGA)
Modulare hochisolierte Architektur
Flexible Ausgansstufen (Autoranging Output)
PV (Solar) Array Simulation
Batterie- und Brennstoffzellen Simulation
Alarm Management, Nutzerprofile
Funktionsgenerator Sinus, Rechteck, Trapez,
Rampe, Arbiträr
• Für Auftisch, 19“ Integration und Wandmontage
• Analog, Ethernet, USB, CAN, Profibus, GPIB u.v.m.
• Bediener Software EA Power Control
EA-Elektro-Automatik GmbH & Co. KG
•
•
•
•
•
•
•
•
Programmierbare Elektronische Lasten (DC)
konventionell und mit Netzrückspeisung
Leistungen 400 W bis 10,5 kW (Systeme bis 300 kW)
Spannungen 0...80 V bis 0...1500 V
Ströme 0...25 A bis 0...510 A (Systeme bis 6000 A)
State-of-the-art µ-Prozessor Steuerung (FPGA)
Modulare hochisolierte Architektur
Mit Netzrückspeisung (Eff. >90%) und ENS (optional)
Betriebsmodi CV, CC, CP, CR, Batterietest, MPPT
Für Photovoltaik (PV) Array, Ultracap,
Brennstoffzellen, EV-Motoren
• Funktionsgenerator Sinus, Rechteck, Trapez,
Rampe, Arbiträr
• Für Auftisch, 19“ Integration und Wandmontage
• Analog, Ethernet, USB, CAN, Profibus, GPIB u.v.m.
• Bediener Software EA Power Control
Helmholtzstrasse 31- 33 D-41747 Viersen Tel.: +49 21 62 / 37 850
[email protected]
www.elektroautomatik.de
Fax: +49 21 62 / 1 62 30
27
Stromversorgungen
tigung der Leistungsfähigkeit des ADC einen stabilen Betrieb
des DC/DC-Wandlers sicherzustellen. Ein Bild in der ausführlichen Online-Version des Beitrags zeigt das Stromversorgungsnetz, bei dem der ADP2164 alle Spannungsbereiche mit 1,25 V
(AVDD1, AVDD1_SR, DVDD und DRVDD) des AD9680 treibt.
Die drei oben erläuterten Stromversorgungsnetze wurden
neben einem vierten Netzwerk einem Test unterzogen. Labornetzteile versorgten bei diesem Aufbau das Evaluierungsboard
AD9680. Tabelle 1 fasst die verschiedenen Stromversorgungsnetze, die auf dem Evaluierungsboard AD9680 implementiert
sind, zusammen. Da SPIVDD 1,8 bis 3,3 V unterstützen könnte
und als nicht-kritischer Knoten bewertet wurde, erfolgte die
Versorgung über einen LDO-Ausgang mit 1,8 V. In einer normalen System-Implementierung ist SPIVDD an den 2,5- oder
3,3-V-Bereich anschließbar. Dennoch sollte man die SPIVDDVerbindung in Systemen mit vielen ADCs und DACs, die sich
einen SPI-Bus teilen, überwachen.
Das Stromversorg ungsnetz, das zur Versorg ung der
1,25-V-Bereiche (PDN #3) des AD9680 nur den DC/DC-Wandler
verwendet, zeigt eine gute Leistungsfähigkeit über die Eingangsfrequenzen. Dies beweist, dass es möglich ist, Spannungsbereiche zu kombinieren und sie effizient und ohne große Einbußen
der Leistungsfähigkeit des ADC zu versorgen. Das vom Labornetzteil versorgte Stromversorgungsnetz weist die besten Rauscheigenschaften auf, da hier die Stromquelle mit dem geringsten Rauschen Verwendung findet.
Bild 2: Vereinfachtes Stromversorgungsnetz für das Evaluierungsboard
AD9680. Die Schaltung kommt mit nur einer Versorgungsspannung von 3,3
V aus.
Bild 3 : Einzelton-FFT bei einer Eingangsfrequenz von 170 MHz mit PDN #3
(links) beziehungsweise von 785 MHz mit PDN #3 (rechts).
FFT-Diagramme
Bild 3 zeigt die beiden Einzelton-FFTs (Single Tone FFTs) bei
Eingangsfrequenzen von 170 beziehungsweise 785 MHz. Die
FFT zeigt keine spektrale Absenkung in Folge der Tatsache, dass
zur Versorgung der 1,25-V-Bereiche ein DC/DC-Wandler zum
Einsatz kommt.
Zusätzlich zum Rauschverhalten sollte in diesem Fall auch
eine Überprüfung der DC/DC-Wandler-Implementierung auch
im Hinblick auf Störungen stattfinden, die Schaltelemente und
Magnetmaterialien verursachen. Sorgfältige Layout-Techniken
zum Reduzieren von Masseschleifen und Ground Bounce erweisen sich als vorteilhaft.
Bei der Ausgangsfilterstufe in Bild 2 handelt es sich um einen
zweistufigen Filter, der zur Reduzierung des Schaltrauschens
beiträgt und damit hilft, das Rauschen des ADC zu verringern.
Außerdem trägt der zweistufige Filter auch zur Reduzierung der
Schaltstörungen bei.
Schaltungen mit DC/DC-Wandlern simulieren
Der zweistufige Filter am Ausgang des DC/DC-Wandlers lässt
sich mit einem Tool wie zum Beispiel ADIsimPE simulieren. Mit
ADIsimPE können Systementwickler Stromversorgungsnetze
entwickeln, optimieren und analysieren. In der längeren Online-
SMART POWER SOLUTIONS
Wir schaffen effiziente Lösungen für Sie:
· Batterien und Konfektionen neuester
Lithium-Technologien
· Entwicklung von Batterie-Managementsystemen
· Prüfungen und Messungen im eigenen
Testlabor z.B. nach UN 38.3 und IEC 62133
Tel. +49 7533 93669-0 · [email protected] · www.dynamis-batterien.de
Stromversorgungen
Version dieses Beitrags zeigen wir auch die von ADIsimPE erzeugte Blockschaltung zur Simulation des Ausgangsrauschens und
der Stabilitätseigenschaften des Stromversorgungsnetzes.
Die Welligkeit am Ausgang der ersten Stufe – nach dem gefilterten Ausgang hinter der zweiten Stufe des Schaltkreises –
beträgt etwa 3 mVss (simuliert mit ADIsimPE)
ein höherer als der gewünschte DC-Widerstand (DCR) der Ferritperle eine Spannung erzeugt, die niedriger als die optimale
Spannung ist. Diese niedrige Spannung führt zu einer nicht
optimalen Leistungsfähigkeit des A/D-Wandlers (SNR und
SFDR). Ausreichende Beachtung sollten die Impedanzeigenschaften, die maximale DC-Strombelastbarkeit und der DCR der
Ferritperle erhalten.
Bauteileauswahl und Layout
Die Leistungsfähigkeit eines ADC bei der Versorgung aus unterschiedlichen Stromversorgungsnetzen hängt nicht nur von einem
sorgfältigen Design, sondern auch von der Wahl der Bauteile und
dem Leiterplattenlayout ab. Die hohen Ströme, die in einem Schaltnetzteil entstehen, führen häufig zu starken Magnetfeldern. Diese können in andere magnetische Bauteile auf der Leiterplatte,
zum Beispiel Induktivitäten von Anpassungsnetzwerken oder
Transformatoren zum Koppeln von Analog- und Taktsignalen,
einkoppeln. Entsprechende Layout-Techniken müssen die Einkopplung dieser Magnetfelder in relevante Signale verhindern.
Der Induktor beziehungsweise die Spule und der Kondensator,
die die Ausgangsfilterstufe bilden, liefern den größten Teil der
Leistung und sind daher sorgfältig auszuwählen. Im hier erläuterten Beispiel kommen eine Mischung aus geschirmten und
ungeschirmten Induktoren zum Einsatz. Die erste Filterstufe
enthält einen abgeschirmten Induktor, während man in der zweiten Stufe einen ungeschirmten Induktor verwenden könnte. Allerdings ist es zu empfehlen, in beiden Stufen geschirmte Induktoren einzusetzen, um mögliche Störstrahlung zu minimieren. Die
Induktoren wurden so gewählt, dass sie hinsichtlich Sättigungsstrom (ISAT) und DC-Widerstand (DCR) genügend Reserven aufweisen, um sicherzustellen, dass sie in die Sättigung gelangen
oder einen zu großen Spannungsabfall über sich selbst erzeugen.
Kondensatoren der Typen X5R oder X7R sind als ausgangsseitige Filterkondensatoren zu empfehlen. Die Kondensatoren sollten einen niedrigen ESR (Equivalent Series Resistance) aufweisen,
denn mit einem niedrigen ESR lässt sich die Schaltwelligkeit am
Ausgang reduzieren. Der gesamte ESR und die gesamte ESL
(Equivalent Series Inductance) lässt sich durch parallele Kondensatoren minimieren. Die erste Filterstufe nutzt in dieser Applikation zwei Kondensatoren mit 22 µF, während die zweite Filterstufe vier Kondensatoren mit 22 µF enthält.
Das Leiterplattenlayout
Für eine möglichst geringe Interaktionen zwischen Schaltreglern
und ADC sollten sich DC/DC-Wandler und Schaltelemente möglichst weit entfernt von magnetischen Komponenten befinden,
die mit dem A/D-Wandler interagieren. Beim Layout ist außerdem auf eine Platzierung des zweistufigen Filters möglichst nahe
am DC/DC-Wandler zu achten, um Schleifenströme zu minimieren. Weitere Details und Illustrationen finden Sie in der Langversion per infoDIREKT. (hb)
■
Autor
Umesh Jayamohan
Applikationsingenieur bei Analog Devices.
infoDIREKT
341ei0416
Kundenspezifische Lithium-Ionen-Akkupacks
Auch die Kondensatorwerte sind wichtig
Der Spannungswert der Kondensatoren spielt ebenfalls eine
wichtige Rolle bei der Auswahl, weil das Dielektrikum eines
Keramikkondensators mit steigendem DC-Bias abnimmt. Dies
bedeutet, dass ein für 6,3 V spezifizierter Kondensator mit 22 µF
bei einem DC-Bias von 4 V ein Degrading um bis zu 50 % aufweisen könnte. Dieses Beispiel nutzt den für 6,3 V spezifizierten
Kondensator für die 1,25-V-Versorgungen. Eine Erweiterung des
Ausgangs um zusätzliche Kondensatoren erhöht die Bauteilekosten sowie den Platzbedarf auf der Leiterplatte. Allerdings
verbessert dies das Rauschverhalten sowie die Welligkeit und
somit die Leistungsfähigkeit des ADC.
Ferritperlen dienen zur Isolation der verschiedenen Spannungsbereiche. Die Auswahl der Ferritperlen ist ebenfalls wichtig, da
• Komplette Lösungen optional auch mit
Wireless-Charging-Einheit
• Integrierte Lade- und Schutzelektronik
• Gehäuse in Custom-Design
• Hochwertige LG-Zellen
• Anschlüsse nach Kundenwunsch
(z.B. DC-Stecker, Goldkontakte etc.)
Wir liefern die Elektronik.
www.elektrosil.com
Stromversorgungen
SPERRWANDLER FÜR INDUSTRIELLE UND DREIPHASEN-STROMVERSORGUNGEN
Bei den Offline-CV/CC-Sperrwandler-ICs
der Produktfamilie Innowitch-EP von
Power Integrations gibt es jetzt auch eine
900-V-Variante. Das neue IC ist zum einen
für Stromversorgungen vorgesehen, die
mit hohen Eingangsgleichspannungen
arbeiten, sowie zum anderen für Dreiphasen-Stromversorgungen.
Bei der Entwicklung legte der Hersteller
besonderen Wert auf einen hohen Wirkungsgrad. So erreicht ein 18-W-Design
mit zwei Ausgängen einen typischen Wirkungsgrad von 85 %. Oft ist dadurch kein
Kühlkörper mehr notwendig, wodurch
sich wiederum ein kompakteres Design
der Stromversorgungen ergibt.
Entwickler von Hochspannungssystemen haben zwar oft Zugriff auf Leistungen
im Megawattbereich, aber sie müssen
davon oft nur ein paar Milliwatt abzapfen,
um so ein mit Niederspannung betriebenes
Bild: Power Integrations
Sicherheitszertifizierte Schalt-ICs bis 900 V
Beim Design legte der Hersteller besonderes Augenmerk auf den Wirkungsgrad.
MCU-System zu betreiben. Ein ähnliches
Szenario ergibt sich immer wieder in
Wechselrichtern, wo es gilt, ein paar Zehntel Watt für Gate-Treiber abzuzweigen. Die
neuen 900-V-ICs sollen unter anderem
exakt derartige Designs robuster hochzuverlässiger Stromversorgungen erleichtern,
die mit den im industriellen Umfeld üblichen Eingangsspannungen arbeiten.
Die Innoswitch-EP-Familie verwendet
die sicherheitszertifizierte Fluxlink-Technologie, die mit magneto-induktiver Kopplung, Synchrongleichrichtern und genauer sekundärseitiger Regelung arbeitet. Ein
Optokoppler ist somit nicht erforderlich.
Das IC ist für eine Dauer-Eingangsspannung von bis zu 450 VAC ausgelegt und
intern gegen Netz-Unterspannung und
-Überspannung bis 650 VAC geschützt; es
schaltet sich dann ab.
Die ICs übertreffen nach Angaben des
Herstellers „alle internationalen Energieeffizienzstandards“, darunter Energy-Star,
CoC, CEC sowie die Standards der EU, die
ErP-Directive und die Standards des US
Department of Energy. Sie sind sicherheitsgeprüft und zugelassen nach UL1577
und TÜV (EN60950). (av)
■
infoDIREKT
393ei0416
USV FÜR 24-V D C -NETZE MIT RS-SCHNIT TSTELLE
Group MeMber
IP64-IP67
LED Netzteile
DIN
10-960 W
Hutschienennetzteile
75-10.000 W
PFC
Schaltnetzteile
www.emtron.de
Akkus im Gehäuse eingebaut
LDR40MH24-RS, die Akkupacks mit
Laderegler von Feas dienen der Pufferung von 24-Volt-Anlagen. Das Akkupack LDR von Feas wird zwischen die
Netzspannung und die Anlage geschaltet, um diese mit Gleichspannung zu
versorgen. Fällt das Netz aus, versorgen
die eingebauten Akkus im LDR die Anlage weiter. Die Versorgungsdauer hängt
von der Größe des Belastungsstroms der
Anlage ab. Im Bedarfsfall sind die Akkus ohne großen Aufwand austauschbar. Durch das eingebaute Schaltnetzteil
lässt sich das Gerät mit einem weiten
Eingangsspannungsbereich betreiben.
Für Wechselspannung reicht dieser Bereich von 85 bis 270 V und für Gleichspannung von 120 bis 400 V. Während
des Netzbetriebes versorgt das interne
Schaltnetzteil die nachgeschaltete Anlage und lädt gleichzeitig die Batterie mit
dem passenden Ladeverfahren, sodass
im Normalbetrieb die Akkus immer ge-
LDR40MH24-RS, die USV
für 24-VDC-Netze mit RSSchnittstelle.
laden zur Verfügung
stehen. Dieses
Schaltnetzteil entspricht internationalen Bauvorschriften. Zeitlich begrenzt kann der
Spitzenstrom den
Nennstrom um zirka 50 % übersteigen. Der
Ausgang ist gegen Verpolung geschützt
und kurzschlussfest. Ein thermischer
Schutz verhindert eine unzulässige Erwärmung der Akkus. Über die RS-232 /
RS-485-Schnittstelle können Statusmeldungen zu Netz, Temperatur und Akkuzustand der USV eingesehen und das
Gerät gesteuert werden. (ah)
■
infoDIREKT
620ei0416
Bild: Feas
A
Stromversorgungen
KEIN SPIEL MIT DEM FEUER
Batterien für Sicherheitssysteme
13. 2 m
Für den Einsatz in
Sicherheitssystemen
soll der Typ NP7-12
die leistungsfähigere
und zuverlässigere
Batterie im Vergleich
zu einem No-NameModell sein.
Bilder: Yuasa
Für die Backup-Stromversorgung von
Sicherheitssystemen zahlt sich der Vergleich einer günstigen Standby-Batterie
mit einem qualitativ hochwertigen Typ
von Yuasa aus. Angesichts der großen
Anzahl verfügbarer Modelle unterschiedlicher Hersteller kann die Auswahl selbst
Fachleuten Schwierigkeiten bereiten.
Auf den ersten Blick sind die Unterschiede oftmals nicht zu erkennen. Beim Vergleich wichtiger Qualitätsmerkmale zeigt
sich jedoch, was eine günstige No-NameBatterie von einem hochwertigen Produkt
unterscheidet. Bei der Suche nach einer
guten Standby-Batterie sind unter anderem Kapazität und Nutzungsdauer entscheidend. Denn für die Anwendung in
der Sicherheitstechnik ist eine hundertprozentige Verlässlichkeit entscheidend.
Neben ihrer Langlebigkeit muss die Batterie vor allem zuverlässig Leistung liefern.
Für günstigere Marken ist es die Regel,
aus Kostengründen bei der Herstellung
von Batterien Zukaufkomponenten einzubauen. Diese können die Qualität der
Batterie erheblich mindern. Renommierte
Hersteller verzichten auf derartige Methoden. Yuasa beispielsweise produziert Batterien von Anfang an in eigenen Fabriken.
Dies stellt sicher, dass während des gesam-
ten Herstellungsprozesses ausschließlich
Rohstoffe und Komponenten von höchster
Qualität Verwendung finden. Darüber
hinaus prüfen Ingenieure jede Batterie und
testen ihre Kapazität.
Vor der Auswahl einer Batterie für
Sicherheits- und Alarmsysteme gibt es
wichtige Faktoren zu berücksichtigen.
Zunächst gilt es, Punkte wie Abmessung
und Einbaumöglichkeit der Batterie zu
klären, die von den Systemen vorgegeben
sind. Zudem sollten Installateure die
Anforderungen des Systems an Spannung
und Stromstärke prüfen. Wichtige Überlegungen schließen ebenso die Erholung
der Batterie nach einer Tiefenentladung,
die Energiedichte sowie das Vorhandensein eines Niederdruckventilsystems ein,
damit sich bei starker Überladung kein
Gas im Inneren der Batterie ansammelt.
Die besonders zuverlässige VRLA-Batterie der NP-Serie von Yuasa ist während
der gesamten Nutzungsdauer praktisch
wartungsfrei und soll sich nach einer Tiefenentladung sehr g ut erholen. Das
anwendungsspezifische Design und die
hohe Energiedichte in Verbindung mit
einer sehr guten Ladeeffizienz und geringer Selbstentladung sind weitere Vorteile.
Die Kombination von versiegelter Konstruktion und Gitter-Vlies-Technologie, bei
der der Elektrolyt in einem Glasfaservlies
gebunden wird, ermöglichen den Betrieb
dieser Batterien in fast jeder Lage ohne
Leistungsverlust. Dafür investiert das
Unternehmen seit 80 Jahren in Forschung
und Entwicklung. (ah)
■
infoDIREKT
614ei0416
m
10.2 mm
Serie TDN 5WI.
Kleinster isolierter 5 Watt DC/DC Wandler
mit reguliertem Ausgang.
9.1
mm
Reliable. Available. Now.
tracopower.com
Bild: pgottschalk - Fotolia
Analog-/Mixed-Signal-ICs
Ohne OPV keine Medizintechnik
Design-Aspekte beim Einsatz von Operationsverstärkern
Bestimmte Anwendungen sind ohne Operationsverstärker undenkbar. Dazu gehören zum Beispiel
empfindliche Medizingeräte zur Messung der Vitalparameter des Menschen, digital geregelte LeisAutor: Vinaya Skanda
tungswandler sowie zahlreiche Geräte der Mess- und Steuerungstechnik.
B
ei der Wahl des geeigneten Operationsverstärkers (OPV)
orientieren sich Entwickler in erster Linie an den Anforderungen der geplanten Applikation. Bei Systemen mit
besonders hohen Leistungsanforderungen, etwa aus dem
Bereich Medizintechnik, sind sorgfältige Analysen durchzuführen. Dabei müssen auch nicht ideale Parameter und Charakteristika des zur Wahl stehenden OPVs Berücksichtigung finden.
Stabilität als wichtiges Kriterium
Für die Stabilität eines OPV-System ist es wichtig, dass die Antwort bei geschlossener Rückkopplungsschleife einer Antwort
mit einer Polstelle ähnelt. Falls die Verstärkung bei geschlossener
Rückkopplungsschleife die Leerlaufverstärkung bei 20 dB/Dekade schneidet, ist das System stabil. Ist ein Punkt erreicht, an dem
die Antwort der geschlossenen Rückkopplungsschleife auf 40
dB/Dekade fällt, beginnt der OPV zu oszillieren.
Eine Polstelle bewirkt eine Phasendrehung von 90°, während
zwei Polstellen entsprechend 180° Phasendrehung verursachen.
Bei einer Phasendrehung von 180° im Rückkopplungspfad wandelt sich das System mit negativer Rückkopplung in ein System
mit positiver Rückkopplung und beginnt zu oszillieren. Im BodeDiagramm eines gängigen OPVs (Bild 1) kennzeichnet die Phasenreserve die Phasendrehung bei Eins-Verstärkung, die bis zum
32
Erreichen des 180-Grad-Punktes bleibt.Die Phasenreserve, auch
Phasenrand genannt, ist eine Kennzahl, die eine Aussage über
die Stabilität des Operationsverstärkers macht. Bild 1 zeigt, dass
die Phasenänderung nicht unbedingt an der Eckfrequenz auftritt.
Stattdessen beginnt die Phasenänderung eine Dekade von der
Eckfrequenz entfernt. Eine Phasenreserve von etwa 40° bei Standard-Betriebsbedingungen ist typisch für einen in einem Mikrocontroller der Serie PIC16F von Microchip integrierten OPV.
Operationsverstärker sind ein wesentlicher Bestandteil zur
Entwicklung analoger oder Mixed-Signal-Stromversorgungen.
Sie kommen in Signalmess- und Kompensationsnetzen zum
Einsatz. Eine gängige Anwendung für Operationsverstärker in
digitalen Leistungswandlern ist die Messung des Stromes, der
durch die Induktivität fließt. Auch in Motorsteuerungen und
Stromzählern kommen OPVs zum Einsatz, um den Stromfluss
Eck-Daten
Entwickler müssen Operationsverstärker so im Design integrieren,
dass sie ihre Aufgabe richtig versehen. Eine Verstärkerschaltung darf
zum Beispiel nicht schwingen, sodass die Rückkopplung sehr sorgfältig dimensioniert werden muss. Nicht nur im Bereich Medizinelektronik ergeben sich zusätzliche Anforderungen an das Systemdesign.
Bilder: Microchip
Bild 1: Bode-Diagramm eines Operationsverstärkers. Der obere Bereich
zeigt die Amplitudenverstärkung, der untere die Phasenverschiebung.
Bild 2: Ein Operationsverstärker als Differenzverstärker zur Messung des
Stromflusses.
durch die Phasen des Wechselrichters zu messen. Meist befindet
sich ein Serien-Messwiderstand im Stromflusspfad (Bild 2). Der
Spannungsabfall über dem Messwiderstand wird verstärkt und
zurück an den A/D-Wandler des Mikrocontrollers gekoppelt.
Da der Wert des Messwiderstands meist sehr klein ist, ist eine
Verstärkung der gemessenen Spannung erforderlich. Der OPV
kommt hier somit in einer Differenzverstärkerkonfiguration zum
Einsatz – unabhängig von der Stromflussrichtung erfolgt eine
originalgetreue Verstärkung der Spannungsdifferenz.
Ein Mikrocontroller wie der PIC16F753 mit integriertem OPV
reicht für diese Art von Anwendung aus. Da der OPV in den
Controller integriert ist, verringern sich die Gesamtkosten der
Entwicklung und der Platzbedarf auf der Leiterplatte und die
Störimmunität verbessert sich.
PIC16F1786 würden sich eignen, da diese MCUs über zwei integrierte OPVs verfügen. Ein Potentiostat ist eine Zelle mit Arbeitselektrode, Referenzelektrode und Zählerelektrode. Die Zählerelektrode führt Strom in die Zelle hinein oder aus ihr heraus.
Dieser Strom muss den in der Arbeitselektrode erzeugten Strom
ausgleichen. Die Referenzelektrode dient als Referenz für die
Arbeitselektrode, um das Potenzial des Elektrolyts zu messen.
Der Verstärker muss die Spannung zwischen Referenz- und
Arbeitselektrode so genau wie möglich an der Spannung V BIAS
halten, die am nicht-invertierenden Anschluss anliegt. Eine Regelung des Ausgangs findet statt, um den Zellenstrom zu erhalten
und ein Gleichgewicht herzustellen. Der Potentiostat muss den
Strom von der Arbeitselektrode messen und ein brauchbares
Signal am Ausgang bereitstellen. Dieser Strom kann bipolar sein
und wird unabhängig davon gemessen, ob der Strom in die
Arbeitselektrode hinein oder aus ihr heraus fließt. (hb/av)
n
OPVs in Steuerungssystemen
Sofern Entwickler bei der Realisierung von Leistungswandlern,
die die Ausgangsspannung als Abwärts- oder Aufwärtswandler
regeln sollen, auf eine analoge Steuerung zurückgreifen, erfordert diese Steuerung stets einen Kompensator mit OPV.
Normalerweise ist ein Kompensator mit drei Polen und zwei
Nullstellen erforderlich, wenn die Steuerung nur die Ausgangsspannung verwendet. Dies bezeichnet man als Spannungssteuerung beziehungsweise als Typ-III-Kompensator. Ein solcher
Kompensator ist eine Variante des invertierenden Verstärkers
bezüglich Änderungen am Rückkopplungsnetzwerk. Das Rückkopplungsnetzwerk ist so ausgelegt, dass es eine Übertragungsfunktion mit drei Polen und zwei Nullstellen aufweist.
Ein Schleifenübergang zwischen den Nullstellen und den Polen
lässt sich erreichen, wenn beide Nullstellen bei einer Frequenz
und die beiden Pole bei einer Frequenz zusammenfallen. Mit
solchen Kompensatoren lässt sich ein angemessener Phasenspielraum erzielen, da eine gute Phasenverstärkung möglich ist.
Bioelektrochemische Sensoren sind in Medizingeräten erforderlich, um Vitalparameter des Menschen zu überwachen. Sie
erfassen elektrochemische Aktivitäten, die getestet, gemessen
und teilweise gesteuert werden müssen. Ein gängiger Elektronikschaltkreis für solche Anwendungen ist der Potentiostat oder
Galvanostat. In der einfachen Anordnung eines Potentiostats
kommen zwei OPVs zum Einsatz. Ein PIC16F1793 oder ein
Autor
Vinaya Skanda
Group Lead bei Microchip Technology.
Anzeige Gaia.indd 1
33
15.12.2015 16:12:51
Die Qual der Wahl
Temperatursensoren
Die Temperatur gehört zu den am häufigsten gemessenen physikalischen Größen. Für
Temperaturmessungen in Elektroniksystemen können Embedded-Entwickler auf unterschiedliche Sensortypen zurückgreifen. Bei der Wahl des geeigneten TemperaturAutor: Bill Simcoe
sensors spielt die Sensorgenauigkeit eine entscheidende Rolle.
J
e nach Anwendung können Entwickler zum
Messen von Temperaturen auf eine Reihe verschiedener Sensortypen zurückgreifen (Tabelle 1). Für Temperaturmessungen, bei denen eine
Genauigkeit von ±2 bis ±3 °C ausreicht, greifen
viele auf Thermistoren zurück. Thermistoren sind
meist preiswert zu beschaffen und ermöglichen die
Entwicklung von Temperaturmessschaltungen mit
einem minimalem Aufwand an Zusatzbauteilen.
Eck-DATEN
Temperatursensoren in CMOS-Technik wie die Familie Si705x bieten eine gleichbleibende Messgenauigkeit über die gesamten Spannungsund Temperaturbereiche und zeichnen sich gegenüber WiderstandsTemperaturfühlern und Thermoelementen durch weitere Vorteile aus.
Über ±2 °C Genauigkeit
Bei Anwendungen, die eine MCU enthalten und bei denen kein
Analog/Digital-Wandler-Eingang zur Verfügung steht, gelten
Halbleitersensoren als bevorzugte Option. Halbleitersensoren
nehmen nur wenig Strom auf und ermöglichen Temperaturmessungen mit einer Genauigkeit von über ±2 °C.
Widerstands-Temperaturfühler (RTDs) bieten von allen verfügbaren Temperatursensoren die höchste Genauigkeit von bis
zu ±0,2 °C. Allerdings sind RTDs relativ teuer und verursachen
zusätzlichen Bauteileaufwand.
Neuartige Halbleiter-Temperatursensoren wie zum Beispiel
die Mitglieder der Sensorfamilie Si705x von Silicon Labs bieten
eine mit RTDs vergleichbare Genauigkeit und kommen ohne
zusätzliche externe Bausteine aus.
34
alVector
Bild: ©Re
Mit Thermosäulen oder Thermoketten, die thermische in elektrische Energie wandeln, lassen sich Temperaturmessungen über
große Bereiche berührungslos durchführen. In einigen Anwendungen ist diese Eigenschaft von großem Vorteil. Herkömmliche
Thermosäulen befinden sich im TO-5-Metallgehäuse und benötigen entweder eine externe Verstärkung oder enthalten ein eingebettetes ASIC. Dieses Konzept verursacht in Verbindung mit
einem sauberen opto-mechanischen Design höhere Kosten und
beschränkt den Einsatz von Thermosäulen auf Applikationen,
bei denen die berührungslose Temperaturmessung signifikante
Vorteile bietet. Zu den Anwendungsbeispielen für Thermosäulen
zählen Ohrthermometer sowie industrielle Prozesssteuerungen,
die bei hohen Temperaturen arbeiten.
Halbleiter-Temperatursensoren verwenden zum Ermitteln der
Temperatur üblicherweise ein Bandgap-Element, das Schwan-
- fotolia.c
om
Berührungslose Temperaturmessung
±0.5C Semiconductor Temperature Sensor Acuracy @ 3.3V
Average
Maximum
Max. Temperature Error (±C
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Temperature (C
kungen der Durchlassspannung einer Diode misst. Zum Erreichen
einer vernünftigen Genauigkeit sind diese bei einem einzigen
Temperaturpunkt kalibriert, normalerweise 25 °C. Deshalb ergibt
sich die höchste Genauigkeit am Kalibrierpunkt, während sich
die Genauigkeit bei höheren oder niedrigeren Temperaturen
reduziert. Für eine höhere Genauigkeit über einen großen Temperaturbereich können Entwickler zusätzliche Kalibrierpunkte
oder Signalverarbeitungstechniken nutzen.
Hersteller von Halbleiter-Temperatursensoren spezifizieren
die typische und die maximale Temperaturgenauigkeit innerhalb
bestimmter Temperaturbereiche (Bild 1). Die typischen Werte
können Anhaltspunkte für die Genauigkeit bestimmter Bausteine unter Idealbedingungen geben. Allerdings sollten sich Entwickler hinsichtlich echter Hinweise auf die Genauigkeit über
mehrere Bausteine hinweg sowie unter einer Vielzahl von Bedingungen auf die die Maximalwerte verlassen.
Achtung Sekundäreffekte
Auch die Versorgungsspannung kann die Temperaturgenauigkeit
eines Halbleitersensors beeinflussen. Sensorbausteine mit geringer interner Spannungsregelung reduzieren die Genauigkeit
stärker, wenn die Versorgungsspannung von der Nennspannung
abweicht. Die meisten Hersteller nehmen dieses Verhalten in die
Spezifikationen im Datenblatt auf, wobei die Maximalwerte im
Bereich von ±0,2 bis ±0,3 °C/V liegen.
Bei höheren Genauigkeiten beziehungsweise bei Fehlern unter
±0,5 °C beginnen sich Sekundäreffekte bemerkbar zu machen,
die auch in der Gesamtgenauigkeit eine Rolle spielen können.
Diese Effekte sind in den Datenblättern der Hersteller häufig
getrennt von der Spezifikation der Gesamtgenauigkeit angegeben
und sollten deshalb Beachtung finden. Zu diesen Effekten zählen
unter anderem die Wiederholbarkeit und das Rauschen. Dabei
handelt es sich um den durch das analoge Front-End und den
ADC eingeführten Fehler. Dieser kann von ±0,1 °C in Produkten
Energiesparende
120
1
Bild 1: Beispiel
für die typische
und die maximale Temperaturgenauigkeit eines Halbleitersensors.
Mini-Netzteile
AC/DC-Wandler mit
<30mW Stand-by Vebrauch
Ultrakompakte, low profile
AC/DC-Netzteile der Klasse II
mit 3kVDC Isolation
1W bis 10W Wandler mit Pins für
die Leiterplattenmontage oder mit
Kabeln
Weiter Eingangsspannungsbereich
(80 - 305VAC)
UL & CE zertifiziert und mit
vollständig geschützten
Ausgängen (Kurzschluss/
Überlast/Überhitzung)
JAHRE
3
Ga
rantie
WE POWER YOUR PRODUCTS
www.recom-power.com
±0.5C Semiconductor Temperature Sensor Acuracy Across YDD Including Noise
1.6
Bild 2: Temperaturmessgenauigkeit über die
Spannungs- und Temperaturbereiche der
Sensorfamilie Si705x.
Bild 3: Halbleitersensoren wie der Si705x erreichen eine höhere Genauigkeit als Widerstandstemperaturfühler.
1.4
1.2
1
1.9V + Noise
3.0V to 3.6V + Noise
3.3V + Noise
3.3V
Si7055
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
2
Si705x vs. Resistance Temperature Detectors RTDS
2.2
Kurze Ansprechzeiten
2
1.8
1.6
1.4
1.2
2x DIN 43760
DIN 43760
DIN EN 60751 Class B
1/2 DIN 43760
Si7053
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-40
-20
0
20
40
60
80
100
3
mit geringerer Leistungsfähigkeit bis zu ±0,01 °C in leistungsstärkeren Produkten reichen. Ein weiterer Sekundäreffekt ist die
Drift beziehungsweise die Stabilität. Dieser Effekt drückt aus,
dass mit dem Altern des Sensorbausteins im Laufe der Zeit ein
zusätzlicher Fehler entstehen kann.
Die korrekte Platzierung der Temperatursensoren auf der Leiterplatte ist für eine gleichbleibende Genauigkeit von einer ganz
entscheidenden Bedeutung. Zur Messung der Temperatur der
Umgebungsluft sollten sich die Sensoren so weit wie möglich von
anderen Wärmequellen wie etwa MCUs, Spannungsreglern und
anderen Elektronikbauteilen entfernt befinden. Bringt man den
Sensor auf derselben Leiterplatte wie die anderen wärmeerzeu-
36
genden Komponenten auf, dann können Aussparungen in der Leiterplatte
für eine thermische Isolation sorgen.
Darüber hinaus ist auch für eine ausreichende Lüftung zu sorgen, damit
der Sensor immer der Umgebungsluft
ausgesetzt ist. Ist die Temperatur von
Bauteilen auf der Leiterplatte zu messen, dann sollten sich die Temperatursensoren so nahe wie möglich an den
betreffenden Bauelementen befinden.
Masse- und Versorgungsspannungsflächen lassen sich als Wärmeleitpfad
von den Komponenten zu den Sensoren nutzen.
120
Die Ansprechzeit eines Temperatursensors hängt eng mit der thermischen
Masse der Leiterplatte und des Gehäuses zusammen, in dem sie sich befindet. Zum Beispiel spricht ein Temperatursensor in der Mitte einer großen
Leiterplatte nur sehr langsam auf
Änderungen der Lufttemperatur an.
Für möglichst kurze Ansprechzeiten
sollten sich Temperatursensoren auf
kleineren Leiterplatten befinden. Weiterhin kann man Ausschnitte vorsehen, um die Sensoren vom Rest der
thermischen Masse des Systems zu
isolieren.
Temperatursensor Si705x
Der digitale Temperatursensor Si705x
ist ein gutes Beispiel für einen CMOS-Halbleitersensor. Bei der
Entwicklung der Sensorfamilie Si705x stand eine gleichbleibende Messgenauigkeit über die gesamten Spannungs- und Temperaturbereiche hinweg im Vordergrund. Mit einem Betriebsspannungsbereich von 1,9 bis 3,6 V sind die Sensoren der Reihe
Si705x in Fernmessanwendungen direkt an eine Batterie
anschließbar. Wie aus Bild 2 ersichtlich, sorgen die Bausteine für
eine merkliche Verbesserung der Genauigkeit bei hohen und
niedrigen Temperaturen sowie für eine minimale Genauigkeitseinbuße durch Rauschen.
Zum Erreichen einer hohen Messgenauigkeit stellen derartige
Bausteine Alternativen zu Widerstands-Temperaturfühlern dar
Sensortyp
Vorteile
Nachteile
Thermistoren
•
•
•
•
Geringe Kosten
Kleine Stückliste
WiderstandsTemperaturfühler (RTDs)
•
•
Höchste Genauigkeit
Großer Temperaturbereich
Thermoelemente
•
CMOS-ICs
•
•
•
•
Bestes Preis/Leistungsverhältnis bei hoher Genauigkeit
Geringer Energieverbrauch
Kleine Stückliste
Intergrierter ADC
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Kontaktlose Messung
Hohe Kosten
Opto-mechanisches Design;
unpraktisch für bestimmmte Anwendungen
Farbe des Ziels kann die Genauigkeit beeinflussen
Hohe Kosten
Große Materialliste
Lange Ansprechzeit
Externer ADC erforderlich
Große Stückliste (Kaltstellenkompensation erforderlich)
Geringere Genauigkeit
Begrenzter Temperaturbereich
Teurer als Thermistoren
Bilder: Silicon Labs
Thermosäulen
Geringe Genauigkeit
Tabelle 1: Zum Messen von Temperaturen in Elektroniksystemen stehen Entwicklern eine Vielzahl von Sensortypen zur Verfügung.
(Bild 3). Zusätzliche Kosten wie bei RTDs entstehen dabei nicht.
Entscheidend für die Wahl des richtigen Temperatursensors ist
die Anwendung, in der er zuverlässig funktionieren soll. Ein
Beispiel dazu sind Kühlketten für die Bereiche Pharmazie und
Lebensmittellager. Hier fordert die Spezifikation E06/TR07.1 der
Weltgesundheitsorganisation (WHO) eine Temperaturgenauigkeit von ±0,5 °C im Bereich -5 bis 25 °C beziehungsweise ±1 °C
in den Bereichen -20 bis -5 °C sowie +25 bis +55 °C.
Präzise Referenzmessung bei Zimmertemperatur
In HVAC-Anwendungen (Heizung, Lüftung, Klima) ist zusätzlich zur absoluten Genauigkeit die Langzeitstabilität wichtig,
weil man von diesen Geräten eine Lebensdauer von vielen Jahren
erwartet. Zum Beispiel weist ein Gerät mit einer Genauigkeit von
±0,005 °C pro Jahr nach zehn Jahren eine um 0,5 °C geringere
Genauigkeit auf. Ein anderes Beispiel ist die Kaltstellenkompensation. Thermoelemente sind gängige Bausteine für Messungen
über große Temperaturbereiche. Für genaue Temperaturmessun-
gen benötigen sie allerdings eine präzise Referenzmessung bei
Zimmertemperatur. Für Remote-Sensoren gelten wiederum
andere Anforderungen.
So müssen die Entwickler bei der Realisierung drahtloser
Remote-Sensorknoten und tragbarer Datenlogger, die normalerweise in IoT-Architekturen zu finden sind, äußerst sorgfältige
Überlegungen im Hinblick auf die Versorgungsspannung anstellen. Denn ohne eine einwandfreie Spannungsregelung können
Schwankungen der Batteriespannung die Temperaturgenauigkeit
reduzieren. (hb/ah)
■
Autor
Bill Simcoe
Product Manager, Environmental Sensor Products, Silicon Labs.
infoDIREKT
611ei0416
MULTIPHYSIK
FÜR ALLE
Die Entwicklung im Bereich der numerischen Simulation physikalischer Systeme hat
einen wichtigen Meilenstein erreicht.
Simulationsingenieure entwickeln nun Individuell zugeschnittene Simulationswerkzeuge
(Applications) mit dem Application Builder in COMSOL Multiphysics®.
Mit einer lokalen Installation von COMSOL Server™ können diese Applications
innerhalb des ganzen Unternehmens (oder der gesamten Organisation) genutzt und
weltweit ausgeführt werden.
Lassen Sie Ihr Unternehmen von der Leistungsfähigkeit der numerischen Analyse profitieren.
comsol.de/application-builder
© Copyright 2016 COMSOL. COMSOL, COMSOL Multiphysics, COMSOL Server, and Simulation for Everyone
are either registered trademarks or trademarks of COMSOL AB.
Halle 7, Stand C27
25. – 29. April 2016
Exakt getroffen:
Sensorschnittstellen-IC kalibrieren
Mehrkanal-Brückensensor mit einem passenden Algorithmus einstellen
Wenn Datenerfassungssysteme mit vielen Sensoren nur mit einer geringen oder mittleren Erfassungsgeschwindigkeit arbeiten, ist der Einsatz eines Multiplexers mit hoher Kanalzahl sinnvoll. Das spart Platz und senkt die
Kosten sowie den Stromverbrauch. Oftmals muss jedoch jeder Sensor kalibriert werden. Dies verursacht dann
unter Umständen Probleme bei der effektiven Nutzung des Multiplexer-Frontends. Ein sorgfältig ausge
Autor: Nick Hains
arbeiteter Algorithmus kann diese Kalibrierungsprobleme effizient lösen.
wird dieser Offset verstärkt und lässt sich einfach am
Ausgang des XR10910 messen. Dies senkt die Systemempfindlichkeit und die Leistungsfähigkeit. Um
den Offset zu beseitigen, ist eine Kalibrierung auf
Basis der
Gerätespezifikationen
Leistungsfähigkeit. Daher
muss
eine Kalibrierung auferforderlich.
Basis der Gerätespezifikatione
Leistungsfähigkeit.
Daher
muss
eine
Kalibrierung
auf BasisVerstärkungen
der Gerätespezifikationen
durchgeführt werden,
um
diesen
Offset
zu acht
beseitigen.
Der
XR10910
bietet
wählbare
durchgeführt werden, um diesen Offset zu beseitigen.
von 2 bis 760 V/V. In Anwendungen, die nur eine
Der XR10910 bietet acht wählbare Verstärkungen von 2V/V bis 760V/V. In Anwendu
Verstärkung
nutzen, lässt sich
einfache
DAC-In Anwendun
Der
bietet acht
wählbare
voneine
2V/V
bis 760V/V.
nurXR10910
eine Verstärkung
nutzen,
lässtVerstärkungen
sich eine einfache
DAC-Offset-Korrektur
durchfüh
nur
Verstärkung
nutzen, lässtWert
sichdurchführen,
eine
einfache
DAC-Offset-Korrektur
Offset-Korrektur
um
den Offset auf den durchführ
deneine
Offset
auf den gewünschten
zu bringen.
den Offset auf den gewünschten
Wert
zuzu
bringen.
gewünschten
Wert
bringen.
1) Berechnung des
Offset,
der
für
die
gewünschte
Ausgangsspannung
erforder
Berechnung des Offset,
der für die
gewünschte
1) Berechnung
(DVOUT) des Offset, der für die gewünschte Ausgangsspannung erforderli
Ausgangsspannung erforderlich ist (DVOUT ):
(DVOUT)
Sashkin - Fotolia
Beispiel:
Beispiel:
Beispiel:
= 1,3 V, DVOUT
,=2V
G = 20,G = 20, V
=OUT
1,3V,
= 2V
G = 20,
= 1,3V,
= 2V
In Anwendungen, die mehrere Verstärkungen sofort (On-the-Fly) nutzen, lässt sich e
Anwendungen,
die mehrere Verstärkungen
sofort lässt sich ei
InOffset
Anwendungen,
die In
mehrere
Verstärkungen
(On-the-Fly)
am XR10910
anlegen,
sodass dessen sofort
Ausgang
bei jeder nutzen,
Verstärkung
so nah
nutzen (On-the-Fly),
lässt
sich ein
am
Offset
aman
XR10910
anlegen,
sodass dessen
Ausgang
beiDAC-Offset
jeder Verstärkung
so intern
nah w
möglich
seiner internen
Referenzspannung
liegt. Der
XR10910
bietet einen
XR10910
anlegen,
sodass
dessen
Ausgang
bei
jeder
as Sensorschnittstellen-IC
XR10910
von
möglich
an
seiner
internen
Referenzspannung
liegt.
Der
XR10910
bietet
einen
interne
von ~1,5 V, die aber nicht direkt gemessen werden kann. Die Referenzspannung (V
~1,5mathematisch
V, die aber nicht
direkt
werden
kann.an
Die
Referenzspannung
(VR
Verstärkung
so nah wie
möglich
der
internen
Exar bietet einen internenvon
16:1-Multiplexer,
daher
durch
zweigemessen
Bedingungen
hergeleitet
werden:
daher für
mathematisch
zwei Bedingungen
werden:
Referenzspannung
liegt.hergeleitet
Der XR10910
bietet eine
einen Digital-Analog-Wandler
die Off- durch
1) Auffinden
voninterne
VREF:Referenz von ~1,5 V, die man jedoch nicht
set-Korrektur, einen Messverstärker und
Span-von
1) eine
Auffinden
VREF:
a. Bedingung
1: Die Ausgänge des Brückensensors sind an die Eingäng
direkt
kann. Die
Referenzspannung
(Van
nungsreferenz (Bild 1). Der Baustein eignet sich
für
) Eingänge
a. Bedingung
1: messen
Die Ausgänge
des
Brückensensors
sind
REF die
XR10910 angeschlossen;
die
Verstärkung
beträgt
2 und
der DAC-Off
XR10910
angeschlossen;
die
Verstärkung
beträgt
2
und
der
DAC-Offs
verschiedene Anwendungen, die Druck-, Temperamuss
daher
mathematisch
durch
zwei
Bedingungen
0x000. Messung der Ausgangsspannung (VOUTG2) des XR10910.
0x000.hergeleitet
Messung der
Ausgangsspannung (VOUTG2) des XR10910.
tur- und DMS-Sensoren (für Waagen) enthalten.
werden:
D
b. ist
Bedingung 2: Die Ausgänge des Brückensensors sind an die Eingäng
Gängigster Schaltkreis für diese Anwendungen
b. Bedingung
2: Die Ausgängedie
des
Brückensensors
sind
XR10910 angeschlossen;
Verstärkung
beträgt
20 an
unddie
derEingänge
DAC-O
der Brückensensor.
XR10910
angeschlossen;
die
Verstärkung
beträgt
20
und
der
DAC-Off
Für verschiedene Anwendungen geeignet
c. Berechnung von VREF:
Berechnung von VREF:
Jeder Brückensensor bietet eigene, einzigartigec.Merkmale und weist eine Offset-Spannung zwischen seiBeispiel:
Beispiel: VOUTG2 = 1,459V, VOUTG20 = 1,215V
nen Ausgängen im Nennzustand auf. Bevor eine
VOUTG2 = 1,459V, VOUTG20 = 1,215V
genaue Messung erfolgen kann, ist dieser Versatz zu
korrigieren. Sind die Ausgänge des Brückensensors
mit bestimmten Eingängen am XR10910 verbunden,
Anschließend wird der Spannungswert des XR10910 LSB ermittelt.
Anschließend wird der Spannungswert des XR10910 LSB ermittelt.
Auffinden
Bild 1: Gängige Anwendungen2)
für das
Sensor- des LSB
2) Auffinden
des LSB des Brückensensors sind mit die Eingänge des XR10910
a)
Die Ausgänge
schnittstellen-IC XR10910.
a) Die
Ausgänge
desdie
Brückensensors
sind mit
die der
Eingänge
des XR10910
angeschlossen;
Verstärkung beträgt
2 und
DAC-Offset
= 0x3ff. M
angeschlossen;
die
Verstärkung
beträgt
2
und
der
DAC-Offset
= 0x3ff. Me
Ausgangsspannung (VOUT Max) des XR10910.
38 elektronik industrie 04/2016
Beispiel:
G = 20,
= 1,3V,
= 2V
In Anwendungen, die mehrere Verstärkungen sofort (On-the-Fly) nutzen, lässt sich ein DACngsfähigkeit. Daher muss eine Kalibrierung auf Offset
Basis der
am Gerätespezifikationen
XR10910 anlegen, sodass dessen Ausgang bei jeder Verstärkung so nah wie
geführt werden, um diesen Offset zu beseitigen.möglich an seiner internen Referenzspannung liegt. Der XR10910 bietet einen interne Referenz
von ~1,5 V, die aber nicht direkt gemessen werden kann. Die Referenzspannung (VREF) muss
R10910 bietet acht wählbare Verstärkungen vondaher
2V/Vmathematisch
bis 760V/V. Indurch
Anwendungen,
die
zwei Bedingungen
hergeleitet werden:
ne Verstärkung nutzen, lässt sich eine einfache DAC-Offset-Korrektur durchführen, um
ngsfähigkeit. Daher muss eine Kalibrierung auf Basis der Gerätespezifikationen
ffset auf den gewünschten Wert zu bringen.
1) Auffinden von VREF:
geführt werden, um diesen Offset zu beseitigen.
a. Bedingung 1: Die Ausgänge des Brückensensors sind an die Eingänge des
Berechnung des Offset, der für die gewünschte Ausgangsspannung
erforderlich
ist
XR10910
angeschlossen;
R10910 bietet acht wählbare Verstärkungen von 2V/V bis 760V/V.
In Anwendungen,
die die Verstärkung beträgt 2 und der DAC-Offset =
(DVOUT)
0x000.
Messung
der
Ausgangsspannung
(VOUTG2) des XR10910.
ne Verstärkung nutzen, lässt sich eine einfache DAC-Offset-Korrektur durchführen, um
ffset auf den gewünschten Wert zu bringen.
b. Bedingung 2: Die Ausgänge des Brückensensors sind an die Eingänge des
Bilder: Exar
XR10910erforderlich
angeschlossen;
die Verstärkung beträgt 20 und der DAC-Offset =
Berechnung des Offset, der für die gewünschte Ausgangsspannung
ist
Beispiel:
(DVOUT)
G = 20,
= 1,3V,
= 2V
Beispiel:
Beispiel:
b) Mit dernutzen,
Ausgangsspannung
der vorherigen Messung lässt sich LSB
wendungen, die mehrere Verstärkungen sofort (On-the-Fly)
lässt
sich ein= VOUTG2
DACVOUTG2
1,459V, VOUTG20 = 1,215V
G = 20,
= 1,3V,
= 2V berechnen:
am XR10910
anlegen,
sodass dessen Ausgang bei jeder Verstärkung so nah wie
Bild 2 (links): Kali
VREF
auffinden
ch an seiner internen Referenzspannung liegt. Der XR10910
einen interne Referenz
b) Mitbietet
der Ausgangsspannung
VOUTG2 der vorherigen Messung lässt
sich contra
LSB un
brierter
Bedingung 1: Die Ausgänge des Brückensensors
•
b) Mit der Ausgangsspannung VOUTG2 der vorherigen Messung
lässt sich LSB
kalibrierter -10-mV1,5 V, die aber nicht direkt gemessen werden kann. Die Referenzspannung
(VREF) muss
berechnen:
sind an die Eingänge des XR10910 angeschlossen;
berechnen:
Eingangs-Offset
Beispiel:
Anschließend
wird
der
Spannungswert
des XR10910 LSB ermittelt.
mathematisch
zweiVerstärkungen
Bedingungen sofort
hergeleitet
werden:
wendungen,
diedurch
mehrere
(On-the-Fly)
nutzen,
lässt
sichVein DACBeispiel:
= 1,459 V, VOUT Max = 2,673 V
die Verstärkung beträgt den Faktor 2 und der DACüber der Verstärkung
VOUTG2=1,459V,OUTG2
VOUT Max=2,673V
am XR10910 anlegen, sodass dessen Ausgang bei
Verstärkung
so nah wie
VS = 3,3 V.
2)jeder
Auffinden
des LSB
Auffinden vonOffset
VREF:
= 0×000. Messung der Ausgangsspannung
Beispiel:
ch an seiner internen Referenzspannung liegt. Der XR10910
bietet
einen interne
Referenz
a)
Die
Ausgänge
des
Brückensensors
sind
mit
die
Eingänge
des
XR10910
a. Bedingung
1:
Die
Ausgänge
des
Brückensensors
sind
an
die
Eingänge
des
Beispiel:
) des gemessen
XR10910. werden kann. Die Referenzspannung
OUTG2
VOUTG2=1,459V,
VOUT Max=2,673V
1,5 V, dieXR10910
aber(V
nicht
direkt
(VREF)
Bild 3 (rechts):
Kalider
die
Verstärkung
beträgt
2 und der DAC-Offset = 0x3ff.
Messung
angeschlossen;
die Verstärkung beträgtangeschlossen;
2 und der DAC-Offset
= mussVOUT
VOUTG2=1,459V,
Max=2,673V
Bedingung
2:
Die Ausgänge
desmuss
Brückensensors
Nun
gilteine
es festzustellen,
ob eine
Kalibrierung
erforNun
festgestellt werden
ob
Kalibrierung
erforderlich
ist.
•
brierter contra un
mathematisch
durch
zwei
Bedingungen
hergeleitet
werden:
Ausgangsspannung
(VOUT
Max)
des
XR10910.
kalibrierter 10-mVsind an die Eingänge des XR10910 angeschlossen;
derlich ist.
3) Berechnung des DAC-Offsets, um den Ausgang bei jeder beliebigen Verstärkung
so nah
Eingangs-Offset
Auffinden vondie
VREF:
Verstärkung
beträgtdes
20 und
der
DAC-Offset
=an
Nun
muss
festgestellt
ob eine
b. Bedingung
2: Die Ausgänge
Brückensensors
sind
diewerden
Eingänge
des Kalibrierung erforderlich ist.
wie
möglich
an
VREF
anzupassen.
über der Verstärkung
a. Bedingung 1: Die Ausgänge des Brückensensors
sind
an
die Eingänge
Nun
muss
festgestellt
werdendes
ob eine Kalibrierung erforderlich ist.
XR10910
angeschlossen;
die Verstärkung beträgt
20 und
DAC-Offset
= Differenz zwischen VOUTG2 und VREF
0×000.
Messung der Ausgangsspannung
) der
DAC-Offset
berechnen
a. (V
Berechnung
von
VOFFSET:
VS = 3,3 V.
OUTG20
XR10910 angeschlossen; die Verstärkung3)beträgt
2 und der
DAC-Offset
= um
Berechnung
DAC-Offsets,
den Ausgang bei jeder beliebigen Verstärkung
so nah
0x000.
Messung
der Ausgangsspannung (VOUTG20)
desdes
XR10910.
des
XR10910.
Berechnung
von
VOFFSET
, um
Ausgang
jeder
3)
Berechnung
des
DAC-Offsets,
um
denden
Ausgang
bei bei
jeder
beliebigen Verstärkung so nah
0x000. Messung der Ausgangsspannung (VOUTG2)
des
XR10910.
wie möglich an VREF anzupassen.
wie möglich
an VREF
anzupassen.
beliebigen
Verstärkung
so nah wie
möglich
an V REF und VREF
•V REF berechnen:
a. Berechnung
von VOFFSET:
Differenz
zwischen
VOUTG2
c. Berechnung
von VREF:
von
VOFFSET:
Differenz
zwischen
b. Bedingung 2: Die Ausgänge des Brückensensors sinda.
an Berechnung
die
Eingänge
des
anzupassen: Differenz zwischen VOUTG2 und V REFVOUTG2 und VREF
Beispiel:
XR10910 angeschlossen; die Verstärkung beträgt
20 und der DAC-Offset =
0x000.
Messung der Ausgangsspannung (VOUTG20) des XR10910.
Beispiel:
Beispiel: VOUTG2 = 1,459 V, VOUTG20 = 1,215 V
VOUTG2 = 1,459V, VOUTG20 = 1,215V
Beispiel:
Beispiel:
Beispiel:
i. Falls VOFFSET weniger als 1 LSB ist, ist keine Kalibrierung erforderlich.
Beispiel:
ii. Falls VOFFSET größer als 1 LSB ist, kann ein DAC-Offset entsprechend
ließend wirdAnschließend
der Spannungswert
des
XR10910 LSBdes
ermittelt.
der
Spannungswert
XR10910 i. Beträgt
VOFFSET weniger
alsals
1 LSB,
ist ist,
keine
KalibrieFalls VOFFSET
weniger
1 LSB
ist keine
Kalibrierung erforderlich.
VOUTG2 =wird
1,459V,
VOUTG20 = 1,215V
VOFFSET
(innerhalb
1 LSB)
angewendet
werden.
DAC-Offset
wird
i. Falls
VOFFSET
weniger
als 1 LSB
ist, istDer
keine
Kalibrierung
erforderlich.
rung
LSB
ermittelt.
erforderlich.
Ist
V
größer
als
1
LSB,
kann
OFFSET
Auffinden des LSB
vor der Verstärkungsstufe des
XR10910 angelegt. Damit nähert sich die
ii. ein
Falls
VOFFSET größer
als 1 LSB
ist, kann
ein DAC-Offset entsprechend
entsprechend
(innerhalb
a) Die Ausgänge des Brückensensors sind mit die Eingänge des
XR10910
resultierende
so V
wieist,
möglich
an DAC-Offset
die
ii.DAC-Offset
FallsAusgangsspannung
VOFFSET
größer als
1gut
LSB
kann ein
entsprechend
OFFSET
VOFFSET (innerhalb 1 LSB) angewendet
werden. Der DAC-Offset wird
angeschlossen;
die Verstärkung beträgt 2 und der DAC-Offset
= 0x3ff.
Messung
der
Referenzspannung
an
– und das
allen
Verstärkungen.
1 LSB)
angewendet
werden.
Der
DAC-Offset
wirdwerden.
vor
LSB auffinden
VOFFSET
(innerhalb
1 bei
LSB)
angewendet
Der DAC-Offset wird
vor der Verstärkungsstufe des XR10910 angelegt. Damit nähert sich die
ließend
wird der Spannungswert
des
LSB ermittelt.
Ausgangsspannung
(VOUT
Max)XR10910
des XR10910.
vor der Verstärkungsstufe
desangelegt.
XR10910 angelegt. Damit nähert sich die
der
Verstärkungsstufe
des XR10910
des Brückensensors
sind an die Ein•Die Ausgänge
resultierende
Ausgangsspannung
so gut wieDamit
möglich an die
Nachfolgend sind Beispiele kalibrierter
und unkalibrierter
±10mV-Offsets
der Verstärkung
resultierende
Ausgangsspannung
so gut über
wiesomöglich
an die
nähert
sich
die
resultierende
Ausgangsspannung
gänge
Auffinden des
LSBdes XR10910 angeschlossen; die Verstärkung
Referenzspannung an – und das bei allen Verstärkungen.
dargestellt. (Bilder 2 und 3). DerReferenzspannung
unkalibrierte Offset an
überwiegt
sehr
schnell,
wenn die
–
und
das
bei
allen
Verstärkungen.
a) Die Ausgänge
des
Brückensensors
sind
mit dieMessung
Eingänge
XR10910
möglich
an die die
Referenzspannung
an. zu festigen. Die
beträgt
2 und
der DAC-Offset
= 0×3ff.
derdes
Verstärkung
zunimmt,
undgut
derwie
Ausgang
beginnt,
Versorgungsschiene
angeschlossen;
die
Verstärkung
beträgt
2
und
der
DAC-Offset
= In
0x3ff.
Messung
der
Nachfolgend
sind
Beispiele
kalibrierter
und
unkalibrierter
±10mV-Offsets
über der Verstärkung
den
Bildern
2
und
3
sind
Beispiele
kalibrierter
Ausgangsspannung (VOUTMaxKalibrierung
) des XR10910.
nähert
die
Ausgangsspannung
bei
allen
Verstärkungswerten
so nah wie
möglich
an
Nachfolgend sind Beispiele kalibrierter und unkalibrierter ±10mV-Offsets
über
der Verstärkung
dargestellt. (Bilder 2 und 3). Der unkalibrierte Offset überwiegt sehr schnell, wenn die
±10-mV-Offsets
der VerstärVOUTG2
derdargestellt.
vorherigen(Bilder
Referenzspannung
an.und2 unkalibrierter
und 3). Der unkalibrierte
Offsetüber
überwiegt
sehr schnell, wenn die
•Mit der Ausgangsspannungdie
Verstärkung zunimmt, und der Ausgang beginnt, die Versorgungsschiene zu festigen. Die
Verstärkung zunimmt,
und der Ausgang
beginnt, dieOffset
Versorgungsschiene
zu festigen. Die
kung
dargestellt.
Der unkalibrierte
überwiegt so nah
Messung lässt sich LSB berechnen:
Kalibrierung nähert die
Ausgangsspannung
bei allen Verstärkungswerten
wie möglich an
Kalibrierung nähert
die
Ausgangsspannung
bei
allen
Verstärkungswerten
so
nah wie möglich an
sehr
die Referenzspannung
an.schnell, wenn die Verstärkung zunimmt, und
die Referenzspannung an.
der Ausgang beginnt, die Versorgungsschiene zu fesEck-Daten
tigen. Die Kalibrierung nähert die Ausgangsspannung
bei allen Verstärkungswerten so nah wie möglich an
Das Sensorschnittstellen-IC XR10910 von Exar liefert hohe Kanalzahlen in einem lediglich 6 × 6 mm2 großen
die Referenzspannung an. (ah)
n
QFN-40, das die Konditionierung von Sensoren vereinfacht und Platz auf der Leiterplatte spart. Entwickelt für
den Anschluss eines Mikrocontrollers oder eines im Feld
Autor
programmierbaren Gate-Arrays (FPGA) bietet das IC mehr
Nick Hains
Flexibilität beim Design als Einzelchip-Lösungen. Der
Applications Engineer in der Sensing and Signal
Baustein stellt eine höhere verfügbare Verstärkung beConditioning Products Group bei Exar.
reit, geringeren Offset, weniger Rauschen, kleinere
Abmessungen und kürzere Designzeiten als diskrete
Lösungen.
39
Bild:
fotom
ek - F
otolia
Energiesparend kommunizieren
Eine neue Ära heterogener 3D-System-in-Package-Integration
Plattformen der nächsten Generation entwickeln sich rasch weiter, um die zunehmenden Anwendungen in
den Bereichen Rechenzentren, Internet der Dinge (IoT), 400G- bis Terabit-Netzwerke, Glasfasernetze, 5G-Mobilfunk, 8K-Video und weitere abzudecken. Dadurch steigt der Bedarf an Datenanbindung und Rechenleistung, was den Halbleitermarkt erheblich beeinflusst. Die Bauelemente müssen effizientere Systeme und die
entsprechenden Dienste unterstützen. Dieser Artikel geht detailliert auf diese Veränderungen ein und zeigt inAutor: Manish Deo
teressante Trends auf.
D
urch die zunehmende Datenlast benötigen
Rechenzentren eine immer höhere Rechenleistung. Um die Komplexität zu verringern
und mehr Flexibilität sowie Skalierbarkeit zu bieten,
muss die Infrastruktur von Rechenzentren virtualisiert werden und als Dienst über Commodity-Server
bereitstehen. Allerdings haben sich die Verbesserungen bei der Server-Rechenleistung in der letzten Zeit
eher verlangsamt, vornehmlich begründet durch
Leistungsbegrenzungen. Insbesondere die Flexibilität ist ein entscheidendes Kriterium für Rechenzentren, da sich die Dienste schnell weiterentwickeln
und demzufolge eine anpassungsfähige Hardware
erfordern.
Eck-Daten
Plattformen der nächsten Generation erfordern zunehmend Lösungen, die eine höhere Performance, geringere Stromaufnahme und kleinere Formfaktoren bieten.
Die hohe Zunahme der Rechenleistung und Funktionen in Datenzentren und der
Zuwachs bei IoT-Anwendungen sind die Hauptgründe für diese Entwicklung. Der
Fortschritt in den Bereichen Terabit-Netzwerktechnik, Glasfasernetze, 8K-Video und
5G-Mobilfunk entwickelt sich rasch weiter und zwingt die Halbleiterhersteller, innovative Lösungen zu finden.
40
Auch IoT hat ein enormes Wachstum vor sich und
vernetzt in naher Zukunft voraussichtlich Milliarden
„intelligenter Dinge“ miteinander und mit der Cloud
oder einem Rechenzentrum. Die Infrastruktur muss
dabei in Echtzeit festlegen, welche Daten verarbeitet
werden und welche unbeachtet bleiben. Aus diesem
Grund erfordert IoT eine vernetzte, flexible und effiziente Infrastruktur mit hoher Bandbreite, die Einblick
vom Rechenzentrum bis an die Schnittstelle zur Cloud
bietet. Diese Anforderungen benötigen Dienstleister,
Rechenzentren, Cloud-Computing- und Massenspeicher-Systeme, um dem immensen Bedarf an InternetDatenverkehr gerecht zu werden.
Schneller, kleiner, energieeffizienter
Kommende Plattformen müssen daher eine höhere
Bandbreite und Funktionalität bei niedrigerem Stromverbrauch bieten, und das bei geringerem Platzbedarf.
Für die Bausteine bedeutet dies: sie müssen schneller
sein, weniger Raum auf der Leiterplatte einnehmen
und den Energieverbrauch reduzieren. Diese Anforderungen verlangen neue Lösungen im gesamten
Halbleitermarkt. Aufgabe der Entwickler der neuen
40 nm
Analog
Speicher
FPGA
28 nm
14 nm
FPGA
ASIC
20 nm
CPU SoC
Bilder: Altera
14 nm
Gemischte Funktionalität
Gemischte Prozessknoten
Plattformen ist es, diese Anforderungen umzusetzen.
Zusätzlich gilt es noch, Gesamtfunktionalität und
Flexibilität zu erhöhen.
Bisher haben Entwickler darauf mit mehr diskreten
Bauelementen auf einer Standard-Leiterplatte reagiert,
um damit Flexibilität und Leistungsfähigkeit zu erhöhen und den Stromverbrauch unter Kontrolle zu halten. Diese herkömmliche Herangehensweise kann
mit den Anforderungen der nächsten Generation nicht
mehr mithalten, die da heißen:
• Die Chip-zu-Chip-Bandbreite ist durch die Interconnect-Dichte begrenzt, die wiederum auf der
Leiterplatte beruht
• Der Stromverbrauch des Systems ist zu hoch, wegen
der langen Leiterbahnen zwischen den Bauteilen
• Der Formfaktor ist zu groß aufgrund der Anzahl
diskreter Bauelemente, die für die gewünschte Systemfunktionalität erforderlich sind
In Betracht kommt eine monolithische Integration
#coolMAPI
einiger Bauelemente, um diese Einschränkungen zu
überwinden. Allerdings hat diese Integration eine
weitere Herausforderung, nämlich die IP-Reife. Unterschiedliche IP-Blöcke entwickeln sich bei verschiedenen Prozessknoten weiter und stehen bei einer
Systemerweiterung dann zu voneinander abweichenden Zeiten zur Verfügung. Folglich ist es nicht möglich, alle gewünschten IP-Blöcke oder die gewünschte Funktionalität monolithisch zu integrieren. Fertigt
ein Hersteller zum Beispiel einen Logikchip (Die) in
14-nm-Technologie und möchte DRAM auf dem Chip
integrieren, kann er den Speicher nur in 40-nm- oder
einer älteren Technologie implementieren. Diese Einschränkung erschwert eine monolithische Lösung.
Bild 1: Mit der FPGAbasierten heterogenen In-Package-Integration stehen robuste Lösungen schnell
zur Verfügung.
Schnelle Integration
Eine weitere Herausforderung besteht darin, maximale Datenübertragungsgeschwindigkeit zwischen
den Bausteinen zu gewährleisten. Viele Protokoll-
Stay cool
be MAPI!
PCIM Europe Halle 7 Stand 219
Die WE-MAPI ist die kleinste gewickelte Metal Alloy Speicherdrossel der Welt.
Ihre Effizienz ist beispiellos. Ab Lager verfügbar. Muster sind kostenlos
erhältlich. Erfahren Sie mehr unter: www.we-online.de/WE-MAPI




Designen Sie Ihren Schaltregler in REDEXPERT, dem weltweit genauesten
Software-Tool zur Berechnung von Spulenverlusten.


Hohe Strombelastbarkeit
Geringe Spulenverluste
Geringe Eigenerwärmung
Exzellente Temperaturstabilität
Innovatives Design
Exzellentes EMV-Verhalten
Produktdarstellung in Originalgröße:
1.6 x 1.0
2.0 x 1.0
2.5 x 0.6
2.5 x 0.8
2.5 x 1.0
2.5 x 1.2
3.0 x 1.0
3.0 x 1.2
3.0 x 1.5
3.0 x 2.0
4.0 x 2.0
Andere Multi-Die-Integration
Stratix 10 FPGAs und SoCs mit Intel EMIB
Package Lid
Gehäuseoberteil
Die
FPGA Die
Die
FPGA Die
Gehäusesubstrat
Gehäuse-Leiterbahn
Bild 2: EMIB-Implementierung im
Vergleich zu einer
Implementierung
mit Interposer.
Kurze Leitung
EMIB
Kleine EMIB
Einfache Herstellung
Hohe Performance
Bessere Signalintegrität
Keine TSVs
Heterogene 3D-SiP-Integration
Altera bietet dafür eine heterogene (3D-System-inPackage) SiP-Technologie. Die chipinterne Integration ist skalierbar und fertigungstechnisch einfach
umzusetzen. Heterogene 3D-SiP-Technologie macht
es möglich, verschiedene Komponenten neben einem
FPGA in einem einzigen Gehäuse zu integrieren, um
die Systemanforderungen zu erfüllen. Damit stehen
robuste Lösungen schneller zur Verfügung als zuvor
(Bild 1). Dieser Ansatz erlaubt eine In-Package-Integration verschiedener Komponenten wie Analogschaltkreise, Speicher, ASICs, CPUs und weitere.
Der Ansatz der heterogenen 3D-SiP-Integration ist
einzigartig im FPGA-Markt, da nur eine monolithische FPGA Core Fabric verwendet wird (bis zu 5,5
Millionen Logikelemente) und mehrere Dies rund um
das FPGA integriert sind. Diese Fabric stellt maximale Performance und Auslastung bereit. Sie gewährleistet, dass Daten mit höchster Geschwindigkeit verarbeitet werden können, ohne Routing-Überlastung,
Engpässe oder Leistungseinbußen.
Intels patentierte Embedded Multi-Die Interconnect
Bridge (EMIB) schafft die Voraussetzungen für eine
breite Einführung dieser Technik. Intel entwickelte
die EMIB für Lösungen, die fortschrittliche Gehäuse
FPGA Die
TSV
Package Substrat
Großer Interposer
Hohe Fertigungskomplexität
Geringere Performance
Geringere Signalintegrität
Hohe Silizium-ImposerTSV-Kapazität
standards entwickeln sich jedoch weiter und die erforderlichen Datenraten und Modulationsschemata
unterscheiden sich von System zu System. Es ist deshalb von großer Bedeutung, eine innovative Lösung
zu finden, mit der sich kommende Technologien und
IP-Blöcke schnell integrieren lassen.
Infolgedessen definieren die Herausforderungen
kommender Systeme den Lösungsweg. Herkömmliche Lösungen erfüllen die zukünftigen Anforderungen nach höherer Bandbreite, geringerem Stromverbrauch, kleinerem Formfaktor, mehr Funktionen und
Flexibilität nicht. Gefordert sind innovative, wirtschaftlich tragfähige und skalierbare Lösungen.
42
FPGA Die
Imposer (Silizium)
Die (Silizium)
FPGA Die
Lange Verdrahtung
und Testfunktionen erfordern. Sie lässt sich einfach
integrieren und sorgt für eine hochkompakte Verbindung zwischen heterogenen Dies im gleichen Gehäuse. Weiterhin ermöglicht sie chipinterne Funktionen,
die mit anderen chipinternen Integrationslösungen
zu komplex oder auch zu kostspielig ausfallen würden.
Komplexität verringern
Die EMIB liefert einen einfacheren Fertigungsfluss,
höhere Performance, bessere Signalintegrität und ist
weniger komplex. Dieser kleine Chip ist in das zugrundeliegende Gehäusesubstrat integriert und erlaubt
eine spezielle, hochkompakte Interconnect-Verbindung zwischen den Dies. Der EMIB-Fertigungsfluss
benötigt keinerlei Through Silicon Vias (TSVs), was
die Komplexität bei der Herstellung verringert und
die Signal- sowie Power-Integrität verbessert. Entscheidend dabei ist, dass die physikalischen Abmessungen der EMIB die Zahl der integrierbaren Dies
nicht begrenzen.
Im Gegensatz dazu verwenden andere Implementierungen einen großen Interposer, der sich oberhalb
des Gehäusesubstrats befindet und sich über die
gesamte Länge des Dies erstreckt. Der Interposer
verteuert die Lösung und macht sie störanfällig, zum
Beispiel durch Wölbungen. Alternative Lösungen
erfordern viele Micro Bumps, die Micro Vias verwenden und Gesamtausbeute sowie Fertigungskomplexität beeinträchtigen. Auch die Zahl der integrierbaren Dies wird durch einen Interposer begrenzt und
beeinträchtigt die Skalierbarkeit (Bild 2). (ah)
n
Autor
Manish Deo
Senior Product Marketing Manager, Altera.
Fujitsu Electronics Europe ergänzt sein Produk t-Portfolio für EMEA
FPGA-Boards und FPGA-Mezzanine-Cards
FPGA-Boards und
FPGA-MezzanineCards des japanischen
Herstellers Tokyo
Electron Device.
Bild: Fujitsu Electronics Europe
Fujitsu Electronics Europe (FEEU), seit
dem 1. Januar 2016 als globaler ValueAdded-Distributor aktiv, erweitert sein
Portfolio an FPGA-Boards und FPGAMezzanine-Cards (FMCs) des japanischen
Herstellers Tokyo Electron Device.
Zu den Anwendungen von FPGAs
gehören die Hardwaresimulation, Unterstützung und Tooling für Entwicklungs-,
Testing- und Debugging-Zwecke sowie
komplexe Hochleistungs-Systeme mit
vielfältigen Interface-Optionen. Insbesondere die ASIC-Emulation, leistungsfähige
Netzwerksysteme und 4K/8K-Videosysteme gehören zu den Anwendungsgebieten des japanischen Herstellers Tokyo
Electron Device, die unter der InreviumMarke vertrieben werden.
Das Vertriebsprogramm von FEEU beinhaltet Silicon Foundry Services, Gehäuse,
Substrate, Leadframes und Leiterplatten.
Außerdem erstellt das Unternehmen
ASIC-Designs. Unabhängig davon, ob der
Kunde das ASIC-Design zusammen mit
FEEU erarbeitet oder das Design in eigener
Regie übernimmt und Fujitsu Electronics
Europe nur als Foundry-Dienstleister
nutzt, stellt das Prototyping stets ein entscheidendes Element des gesamten Desi-
gnprozesses dar. Dies macht die FPGABoards von Inrevium zu einer guten
Ergänzung zum bestehenden Angebot von
FEEU, denn hierdurch kann dem Kunden
ein sehr großer Teil der Tools und Materialien angeboten werden, die er für sein
Projekt benötigt. Dadurch hat es der
Anwender mit weniger Schnittstellen zu
tun und er spart Zeit.
Mit seinen Standardprodukten und seiner ASIC-Designexpertise ist FEEU stark
auf die Bereiche Video, Industrie, Internet
of Things und HochgeschwindigkeitsKommunikation ausgerichtet und zielt
damit auf jene Bereiche, die die FPGABoards und FMC-Cards von Inrevium
adressieren.
Die FPGA-Boards sind mit XilinxFPGAs bestückt und wenden sich damit
hauptsächlich an Kunden, die bereits
Erfahrung mit Xilinx-Produkten haben.
Dagegen sind die FMC-Cards (FPGAMezzanine-Cards) auf einen breiter gefächerten Kundenstamm ausgerichtet und
beruhen auf dem von der FPGA-Industrie
definierten FMC-Standard.
Hierdurch gestaltet es sich einfacher,
Karten von verschiedenen Herstellern in
einer Anwendung zu kombinieren. Auch
die Wiederverwendung von Karten ist
dank der standardisierten Schnittstellen
möglich. (ah)
n
Bild 1: Das linke Bild ist unkomprimiert, das rechte
wurde einer 2,5-fachen Kompression nach DSC-Spezifikation unterworfen. Es ist praktisch kein Unterschied zwischen beiden Bildern zu erkennen.
USB Typ-C unter der Lupe
Kein Kopfzerbrechen durch Nicht-USB-Funktionen
Die Schnittstelle USB Typ-C ist sehr leistungsfähig und doch mechanisch leichter zu handhaben als ihre
Vorgänger. Eine Reihe von Spezialbegriffen wie „Alternativbetrieb“ (Altmode), „Zubehörbetrieb“, „strukturierte“ und „unstrukturierte VDMs“ weisen auf die breite Palette an Funktionen hin, die an sich mit USB
nichts zu tun haben, die dieser Steckverbinder aber unterstützt. Allerdings kann diese Vielfalt den AnwenAutor: Abdullah Raouf
dern Kopfzerbrechen bereiten. Der Artikel geht auf diese „Nicht-USB“-Funktionen ein.
F
ünf wesentliche Merkmale machen USB Typ-C zu einer
flexiblen und erweiterbaren Schnittstelle:
Stromversorgung: Die Standardspannung von USB Typ-C
beträgt 5 V. Damit ist das Stecksystem rückwärtskompatibel mit
früheren USB-Versionen. Allerdings verfügt der neue USB-TypC-Stecker für Plus und Minus über jeweils vier Pins. Entsprechend
der Stromversorgungsspezifikation sind auf einem USB-Typ-CPort Spannungen von bis zu 20 V und Ströme von bis zu 5 A
möglich.
Symmetrischer Aufbau: USB Typ-C ist symmetrisch aufgebaut.
Man kann den Stecker in beiden Orientierungen einstecken und
auch das Kabel herumdrehen. Beides funktionierte bei bisherigen
USB-Kabeln nicht, was ein stetes Ärgernis war. Bisher gab es
unterschiedliche Stecker für den Host (Typ A) und das daran
angeschlossene Gerät (Typ B). Bei USB Typ-C ist der Stecker auf
beiden Seiten des Kabels gleich. Jeder Typ-C-Stecker lässt sich
in beiden Orientierungen in jede Typ-C-Buchse stecken. Die
44
Hardware des Ports weiß selbst, welche Funktion der Port hat.
Bandbreite: USB-Bandbreite-Typ-C unterstützt die Datenraten
von USB 2.0, USB 3.1 Gen. 1 (Superspeed USB 5 Gbit/s) und USB
3.1 Gen. 2 (Superspeed USB 10 Gbit/s). USB 2.0 und USB 3.1 haben
jeweils ihre eigenen Spezifikationen. Die symmetrischen Signale der USB-Superspeed-Verbindungen liegen fast auf den äußersten Pins des Steckers, in beiden möglichen Orientierungen des
Steckers wird jeweils ein Satz dieser USB-Superspeed-Datenverbindungen genutzt.
Kanalkonfiguration: Auf dem USB-Stecker Typ-C liegen zwei
Signale CC1 und CC2, zur Konfiguration der Kabelverbindung.
Man kann über diese Signale die Orientierung des Steckers
erkennen. Stromversorgungsparameter, alternative Betriebsarten
sowie die Zubehörbetriebsarten werden über sie ausgehandelt.
Nicht-USB-Signale: Man kann den USB-Typ-C-Stecker flexibel
umkonfigurieren und auf diese Weise (je nach den Möglichkeiten der angeschlossenen Geräte) eigene Betriebsarten definieren,
A12
A11
A10
A9
A8
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
GND
RX2+
RX2-
VBUS
SBU1
D-
D+
CC
VBUS
TX1-
TX1+
GND
GND
TX2+
TX2-
VBUS
VccNN
SBUS2
VBUS
RX1-
RX+
GND
B1
B2
B3
B4
B5
B8
B9
B10
B11
B12
B6
B7
Bild 2: Dargestellt ist
die Pinbelegung von
USB Typ-C.
die über die Möglichkeiten des USB-Standards hinausgehen. Bild
2 zeigt die Pinbelegung eines USB-Typ-C-Steckers. Bei einem
vollbelegten USB-Typ-C-Kabel lassen sich die gelb unterlegten
Pins umkonfigurieren, für Direktverbindungen kann man zusätzlich dazun die orange unterlegten Pins umkonfigurieren.
Die Umbelegung von Signalen wird über die CC-Leitungen
ausgehandelt. Hierbei gibt es zwei unterschiedliche Typen „anderer“ Betriebsarten und zwar Alternativ- und Zubehörbetriebsarten. In einer Zubehörbetriebsart erkennen die CC-Leitungen
an einfachen Logikpegeln, welches Zubehörgerät angeschlossen
ist. Zum Schalten in den Alternativbetrieb läuft über die CCLeitungen ein Zweiphasenmarkierungscode (BMC, Biphase Mark
Code), über den die Verbindung konfiguriert wird. Beide Beteiligten müssen sich erst einigen, bevor Pins tatsächlich umbelegt
werden. Wenn sie nicht in den Alternativ- oder in den Zubehörbetrieb geschaltet sind, müssen sich alle USB-Typ-C-Ports der
Norm gemäß als normale USB-Ports verhalten.
Zubehörbetrieb
Über den USB-Typ-C-Verbinder werden im Zubehörbetrieb
zusätzlich analoge oder Debugging-Signale geführt. Im Audiobetrieb kann eine Audioquelle (etwa ein Mobiltelefon oder ein
Notebook) über die USB2.0 (D+/D-) -Pins ein analoges Stereosignal führen (R/L) und gleichzeitig über einen der Seitenbandpins (SBU1 oder SBU2) ein Mikrophonsignal von einer externen
Quelle aufnehmen. Vermutlich gibt es in naher Zukunft eine
Zubehörbetriebsart, die auch digitale Audiosignale unterstützt.
Host-seitig benötigt man lediglich einfache Spannungskomparatoren, die erkennen, welche Zubehörbetriebsart das angeschlos-
sene Zubehörgerät anfordert. Die Audioquelle muss die zugehörige Erkennungslogik bereitstellen. Sobald das angeschlossene
Zubehör und die zugehörige Betriebsart richtig erkannt sind,
trennt die Audioquelle mittels Analogschaltern die USB-2.0-Datensignale von den Steckerpins und schaltet die Analogsignale
auf (siehe Bild 3). Die Implementierung von Zubehörbetriebsarten in Mobiltelefonen oder Notebooks ist nicht obligatorisch; der
Anwender muss also die Betriebsanleitung seines neuen Gerätes
sorgfältig studieren, um zu klären, ob sein Gerät Audiosignale
über den USB-Typ-C-Verbinder unterstützt oder nicht.
Stromversorgungsparameter
Stromversorgungsparameter (PDO, Power Data Objects) sind
Datenpakete, die angeben, welche Spannungen und welche Ströme ein USB-Typ-C-Anschluss liefern kann. Jeder USB-Typ-CPort, der in der Lage ist, Strom zu liefern, kann beim Zustandekommen einer neuen Verbindung bis zu sechs solcher Datenpa-
Eck-DATEN
USB Typ-C ist eine neue Schnittstelle, die bei Computer- und Mobilfunknutzern viel Beachtung gefunden hat. Mit der Schnittstelle verbunden ist eine Reihe von Spezialbegriffen, die der Steckverbinder
USB Typ-C aber dennoch unterstützt. Der vorliegende Artikel erläutert
diese vielfältigen „Nicht-USB-Funktionen“, welche Bauteile der Entwicklungsingenieur zu deren Unterstützung braucht und was der
Endanwender über diese Funktionen wissen muss. Videobetriebsarten, Datenbetriebsarten, Audiobetriebsarten, Debugging-Betriebsarten und Ladebetrieb mit hoher Leistung – all diese diese Aspekte beschreibt der folgende Artikel.
MERCURY+ SA2
MERCURY ZX5
Altera®
Cyclone® V
SoC Module
Xilinx®
Zynq™-7015/7030
SoC Module
from €286*
Everything FPGA.
Design Center · FPGA Modules
Base Boards · IP Cores
from €160*
*High volume price, subject to change.
45
Anbieter
Model
Nokia
N1 Tablet
Apple
Macbook Air
Display-Port
nicht
dokumentiert
29W
nicht
dokumentiert
USB2.0,
USB3.1Gen 1
Google
Pixel
Display-Port
keine
60W
nicht
dokumentiert
USB2.0,
USB3.1Gen 1
HP
Pavillion x2
unterstützte
Zubehörbetriebsarten
unterstützte
Ladeleistung
freie VDMS
unterstützt
nicht
nicht
nicht
nicht
dokumentiert dokumentiert dokumentiert dokumentiert
nicht
nicht
nicht
nicht
unterstützte
USBDatennormen
USB2.0
USB2.0
nicht
dokumentiert
LeTV
nicht
nicht
nicht
dokumentiert dokumentiert dokumentiert
OnePlus 2
LaCie
Bilder und Tabelle: Lattice
unterstützte
AltModes
USB2.0
keine
keine
keine
nicht
dokumentiert
USB2.0,
USB3.1Gen 1
keine
keine
keine
nicht
dokumentiert
USB2.0,
USB3.1Gen 1
Sandisk
SSD
Nexus
5x
nicht
nicht
nicht
nicht
USB2.0
Nexus
6p
nicht
nicht
nicht
nicht
USB2.0
Bild 3: Prinzipschaltbild zur Unterstützung von Zubehörbetriebsarten mit
Audiosignalen über USB Typ-C.
Tabelle: Einige Endprodukte, die mit USB Typ-C-Unterstützung angekündigt wurden (neben den jeweils dokumentierten Leistungsmerkmalen).
kete abschicken. Das Empfängergerät sucht sich aus diesen Kombinationen eine für sich passende heraus und bestätigt diese.
Damit ist eine Stromversorgungsvereinbarung geschlossen, nun
darf Strom zwischen den beiden USB-Typ-C-Ports fließen. Die
bereitgestellte Spannung kann zwischen 0 und 20 V liegen (in
50-mV-Inkrementen), der bereitgestellte Strom zwischen 0 und
5 A (in 10-mA-Inkrementen). Obligator isch muss ein Stromversorgungsport 5 V bei 900 mA liefern können. Andere Spannungen und Ströme sind optional. Will ein Verbraucher einen Stromverbraucher und ein Ladegerät mit USB-Typ-C-Anschlüssen
kaufen und dabei eine möglichst kurze Ladezeit sicherstellen,
muss er vorher klären, ob die Stromversorgungs- (also Lade-)
parameter beider Geräte zusammenpassen. Obligatorisch implementiert sein müssen die Standardstromversorgungsparameter
(5 V / 900 mA = 4,5 W); zumindest diese passen in jedem Fall
zusammen. Dem Anwender steht dann jedoch nur die Standardladung zur Verfügung und nicht die gewünschte Schnellladung.
Die Zukunft wird es den Anwender vermutlich erleichtern, die
Abgabeleistung eines Ladegeräts mit den Ladeparametern des
Verbrauchers in Einklang zu bringen.
ve Unterstützung für PCI Express Gen. 3, USB3.1 Gen.2, Displayport 1.2 und natürlich Thunderbolt. Die Datenrate beträgt
40 Gbit/s, das reicht, um zwei 4k-Bildschirme oder einen 5K-Bildschirm mit 60 Bildern/s anzusteuern. Displayport hingegen zielt
auf eine höhere Bildschirmauflösung und kann über einen einzigen USB-Typ-C-Port 8K-Bildschirme ansteuern. DP 1.3 ermöglicht es, 32,4 Gbit/s unkomprimierte Videodaten zu übertragen,
das reicht ausweislich der VESA-FAQ-Seite für einen 8K-Bildschirm mit 60 Bildern/s bei 4:2:0.
Die zweite standardisierte Alternativbetriebsart bei USB TypC ist MHL. MHL unterstützt komprimierte oder unkomprimierte Videosignale. Ohne Kompression werden 24 Gbit/s übertragen,
das reicht für 4K Auflösung bei 60 Bildern/s und 12 Bit Farbtiefe.
Mit Display Stream Compression (DSC) erreicht MHL bis zu 72
Gbit/s, das ist die erforderliche Bandbreite für 8K Auflösung bei
60 Bildern/s und 4:4:4. Mit dieser Leistung ist MHL die schnellste Videoschnittstelle (gemessen an der effektiven Videobandbreite). DSC ist ein zeilenorientierter Kompressionsalgorithmus,
der eine praktisch nicht wahrnehmbare Kompression liefert und
mit minimaler Latenz auskommt (Latenzen sind bei jedem Kompressionsverfahren unvermeidlich). Ein Beispielbild vor und nach
DSC zeigt Bild 1.
Alternativbetrieb und strukturierte VDMs
Eine zweite Möglichkeit, Nicht-USB-Daten über einen USB-TypC-Stecker zu führen, ist der sogenannte „Alternativbetrieb“
(Altmode). Bisher gibt es zwei standardisierte Altmodes von
Normgremien, die mit dem USB-Implementers-Forum eine
Kooperationsvereinbarung abgeschlossen haben: Displayport
und MHL. Thunderbolt 3 ist ein von Intel entwickelter proprietärer Altmode. Displayport und MHL befassen sich mit der Anbindung eines externen Bildschirms über USB Typ-C. Thunderbolt
unterstützt zusätzlich den Datentransport, da Intels neuester
Controller Alpine Ridge die Protokolle PCI Express Gen. 3 und
USB 3.1 Gen.2 beherrscht. Laut Arstechnica liefert der Altmode
Thunderbolt mit seinem hohen Integrationsgrad die umfangreichste Protokollunterstützung über USB Typ-C, und zwar nati-
46
Gerätebeschreibung studieren
Will ein Systemarchitekt eine der oben beschriebenen Alternativbetriebsarten einsetzen, braucht er zunächst einen Chipsatz,
der den betreffenden Standard unterstützt. Für Thunderbolt ist
Intel der einzige Anbieter, für MHL und Displayport gibt es
jeweils mehrere Anbieter. Im zweiten Schritt benötigt man einen
Steuerchip, der die Altmodes verwalten kann, etwa einen der
neuesten Steuerchips für USB-Typ-C-Ports von Lattice. Die Logos
der Alternativbetriebsarten sind nicht obligatorisch. Um herauszubekommen, welche alternativen Betriebsarten unterstützt
werden, muss der Anwender vor dem Kauf sorgfältig die Gerätebeschreibungen studieren, damit er nicht ein Gerät kauft, das
an seinem USB-Typ-C-Anschluss nur Displayport unterstützt,
während der daran angeschlossene Bildschirm MHL sehen will.
Sowohl strukturierte als auch unstrukturierte VDMs enthalten
die ID des jeweiligen Herstellers (SVID Standard or Vendor ID)
und werden vom USB-IF zugewiesen. Damit ist die eindeutige
Zuordnung der Meldungen sichergestellt. Standard-IDs werden
standardisierten Altmodes zugeordnet, die für den gesamten
Bereich USB Typ-C gelten (etwa MHL oder Displayport). Herstellerspezifische IDs sind spezifisch für einen ganz bestimmten
Hersteller, diese IDs müssen nicht notwendigerweise öffentlich
bekannt sein.
3D-MID
Prototyping
Strukturierte VDM-Meldungen
USB-Stromversorgungsmeldungen (USB PD Power Delivery)
und -befehle sind sowohl für die Standardbetriebsart als auch
für herstellerspezifische Betriebsarten definiert. Der Wechsel hin
zu alternativen Betriebsarten und zurück findet typischerweise
über strukturierte VDM-Meldungen statt. Unstrukturierte VDMs
hingegen sind komplett vom jeweiligen Hersteller definiert und
kommen typischerweise (aber nicht notwendigerweise) nur einmal in einer alternativen Betriebsart zur Verwendung.
Man möchte beispielsweise nach dem Umschalten in eine
alternative Betriebsart weiter strukturierte VDMs absenden, um
den Betrieb des Altmodes zu steuern. Dennoch kann sich die
Notwendigkeit ergeben, dann einen Befehl abzusetzen, den
strukturierte VDMs nicht unterstützen.
Verbraucheraufklärung
Der Schlüssel zum Erfolg von USB Typ-C ist die Verbraucheraufklärung. Hierbei sollte man zunächst die Vorteile von USB TypC herausstellen:
• Es gibt nur eine Steckerform auf beiden Seiten des Kabels, der
Stecker lässt sich in beiden Orientierungen stecken
• Flexibles und schnelles Laden mit Spannungen bis 20 V und
Strömen bis 5 A (wenn beide Beteiligten die Ladeparameter
unterstützen)
• Optionale Übertragung auch anderer Signale über die gleiche
Steckverbindung, etwa Audiosignale für ein Headset oder
Videosignale für einen Bildschirm
Für optimale Ladezeiten muss der Verbraucher beim Kauf eines
Ladegeräts mit USB Typ-C-Anschluss darauf achten, dass die
Ladeparameter des zu ladenden Geräts mit den Stromversorgungsparametern des Ladegeräts zusammenpassen.
Zubehörbetriebsarten bei Mobiltelefonen und Notebooks sind
optional. Daher muss der Verbraucher prüfen, ob die gewünschte Betriebsart (etwa Audio über USB Typ-C oder MHL und weitere) unterstützt wird. Logos, die das Vorhandensein alternativer
Betriebsarten signalisieren, sind nicht obligatorisch. (ah)
■
Autor
Abdullah Raouf
Senior Product Marketing Manager bei Lattice Semiconductor.
infoDIREKT
Grundkörper 3D-Druck
inklusive Bestückung
ab 1 Stück
Besuchen Sie uns auf dem Gemeinschaftsstand Fertigungslinie „Future Packaging“
Halle 6
4A
Stand 43
602ei0416
www.pcb-pool.com/3DMID
Wie sich AES beschleunigen lässt
FPGA als Basis zur Implementierung von Verschlüsselungsalgorithmen
Die Verschlüsselung von Dateninhalten mit dem AES-Algorithmus lässt sich besonders effizient auf FPGAs implementieren. Wie sich der in C geschriebene Verschlüsselungsalgorithmus AES-256 mit 256 Bit Schlüssellänge
in Hardware beschleunigen lässt, zeigt dieser Fachbeitrag am Beispiel der „All Programmable“- SoC-Baureihe
Autor: Adam Taylor
Zynq 7000.
A
Bilder: Xilinx
ES (Advanced Encryption Standard) ist ein
symmetrischer Blockcode, der sich mit
unterschiedlicher Schlüssellänge von 128,
192 und 256 Bit realisieren lässt. Aus der Schlüssellänge ergibt sich die Zahl der Verarbeitungsschritte
für die Ver- und Entschlüsselung der betreffenden
Daten. Algorithmen zur Blockchiffrierung arbeiten,
wie der Name bereits sagt, mit Datenblöcken. Der
AES-Algorithmus hat einen festen Blockumfang von
jeweils 16 Bit. Bei einer Verschlüsselung von weniger
als 16 Byte sind die ungenutzten Bytes entsprechend
aufzufüllen. Da es sich bei AES um einen symmetrischen Code handelt, nutzt man zum Ver- und Entschlüsseln von Informationen dieselben Aktionen
sowie denselben Schüssel. Asymmetrische Verschlüsselungsverfahren wie RSA nutzen im Gegensatz zu AES unterschiedliche Schlüssel für beide
Operationen.
Jeder der vier Schritte des AES-Algorithmus findet
auf einen State (Zustand) Anwendung. Die Kombination der vier AES-Schritte nennt man Runde. Wie
viele Runden erforderlich sind, ergibt sich aus der
Schlüssellänge. Der AES-State beginnt mit den 16
Bytes, die zu verschlüsseln sind. Jeder weitere Schritt
aktualisiert den Zustand. Vor der Verarbeitung des
States ist es erforderlich, den Eingangs-Bytestring
korrekt in den Anfangszustand zu einer 4×4-Matrix
zu formatieren. Nach der Umformung der anfänglichen 16 Byte in den Anfangs-State als 4×4-Array lässt
sich untersuchen, wie jeder Schritt auf ihren EingangsState wirkt.
Add-Round-Key verwendet Schlüssel
Der Add-Round-Key ist der einzige Schritt, der den
Schlüssel verwendet. Wie bereits erwähnt, hängt die
Zahl der Runden im Verschlüsselungsalgorithmus
von der Schlüssellänge (128, 192 oder 256 Bit) ab. Der
Kodierschlüssel untergeht dabei eine Expansion. Dies
stellt sicher, dass seine Bytes vor ihrem Einsatz in jeder
Runde nicht mehrmals verwendet werden. Somit ist
die expandierte Schlüssellänge (Expanded Key Size)
jedes Mal anders. Die erweiterte Schüssellänge ist
Expanded Key Size (Byte) = 16 * (Rounds + 1)
Bei der Operation dieses Schrittes erfolgt eine Verknüpfung der Bytes des Eingangs-States per Exclusive-OR mit den 16 Byte des erweiterten Schlüssels.
Jede Runde nutzt dabei eine andere Sektion des erweiterten Schlüssels. Runde 0 verwendet die Bytes 0 bis
15, Runde 1 die Bytes 16 bis 31, und so fort. In jeder
Runde erfolgt eine Verknüpfung des Byte 1 des State
per Exclusive-OR mit dem niedrigsten Byte des expandierten Schlüssels.
Der Schritt Sub-Bytes nutzt eine Byte-Substitution,
um die State-Werte mit einem anderen Wert zu tauschen. Die Werte in der Substitutionsbox sind vordefiniert und so ausgelegt, dass sie eine niedrige Kor-
48
relation zwischen den Eingangs- und Ausgangsbits
aufweisen. Die Substitutionsbox (S-Box) ist eine
16×16-Matrix. Als Index in der Substitutionstabelle
erscheinen die oberen und unteren Nibbles des substituierten Bytes . Wenn also in der S-Box-Verschlüsselung nach Bild 2 das erste Anfangs-State-Byte 0 ×
69 ist, wird es durch den Substitutionswert 0 × F9
ersetzt. Das obere Nibble des State-Byte bestimmt die
Zeile der Substitutionsbox, das untere Nibble die Spalte. In Bild 1 zu beachten ist, dass es getrennte Substitutionsboxen für die Ver- und Entschlüsselung gibt,
und dass ihre Inhalte verschieden sind.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
63
CA
B7
04
09
53
D0
51
CD
60
E0
E7
BA
70
E1
8C
7C
82
FD
C7
83
D1
EF
A3
0C
81
32
CB
78
3E
F8
A1
77
C9
93
23
2C
00
AA
40
13
4F
3A
37
25
B5
98
89
7B
7D
26
C3
1A
ED
FB
8F
EC
DC
0A
6D
2E
66
11
0D
F2
FA
36
18
1B
20
43
92
5F
22
49
8D
1C
48
69
BF
6B
59
3F
96
6E
FC
4D
9D
97
2A
06
D5
A6
03
D9
E6
6F
47
F7
05
5A
B1
33
38
44
90
24
4E
B4
F6
8E
42
C5
F0
CC
9A
AO
5B
85
F5
17
88
5C
A9
C6
0E
94
68
30
AD
34
07
52
6A
45
BC
C4
46
C2
6C
E8
61
9B
41
01
D4
A5
12
3B
CB
F9
B6
A7
EE
D3
56
DD
35
1E
99
67
A2
E5
80
D6
BE
02
DA
7E
B8
AC
F4
74
57
87
2D
2B
AF
F1
E2
B3
39
7F
21
3D
14
62
EA
1F
B9
E9
0F
2B
9C
71
EB
29
4A
50
10
64
DE
91
65
4B
86
CE
B0
D7
A4
D8
27
E3
4C
3C
FF
5D
5E
95
7A
BD
C1
55
54
AB
72
31
B2
2F
58
9F
F3
19
0B
E4
AE
8B
1D
28
BB
76
CO
15
75
84
CF
A8
D2
73
DB
79
08
8A
9E
DF
16
S-Box für die Verschlüsselung
Umordnung der Eingangs-State-Matrix
Der Schritt Shift-Rows dient zur Umordnung der Eingangs-State-Matrix über eine zirkuläre Byte-Verschiebung jeder Zeile. Dabei findet eine Rotation jeder
Zeile um einen anderen Faktor nach rechts statt (Bild
2). Zeile 1 bleibt unverändert. Zeile 2 wird um ein Byte,
Zeile 3 um zwei Byte und Zeile 4 um drei Byte verschoben. Beim Entschlüsseln werden dieselben Operationen ausgeführt, jedoch mit einer Rotation nach
links statt nach rechts.
Mix-Columns ist der komplizierteste Schritt einer
Runde. Er erfordert 16 Multiplikationen und zwölf
Exclusive-OR-Operationen. Diese Operationen erfolgen Spalte für Spalte an der Eingangs-State-Matrix,
die man mit einer festen Matrix multipliziert, um eine
neue State-Spalte zu erzeugen. Jede Eingabe in die
Spalte multipliziert man mit einer Zeile der Matrix.
Die Ergebnisse aller Multiplikationen werden XORverknüpft, um den neuen State-Wert zu bilden.
Die Mix-Columns-Gleichungen der ersten Spalte
lauten wie folgt:
B1’ = (B1 * 2) XOR (B2 * 3) XOR (B3 * 1) XOR (B4 * 1)
B2’ = (B1 * 1) XOR (B2 * 2) XOR (B3 * 3) XOR (B4 * 1)
B3’ = (B1 * 1) XOR (B2 * 1) XOR (B3 * 2) XOR (B4 * 3)
B4’ = (B1 * 3) XOR (B2 * 1) XOR (B3 * 1) XOR (B4 * 2)
Dieser Prozess wiederholt sich mit derselben Multiplikationsmatrix für die nächste Spalte des EingangsState, bis alle Spalten adressiert worden sind. Jede
AES-Verschlüsselungsrunde umfasst alle vier Schritte in dieser Reihenfolge: Sub-Bytes, Shift-Rows, Mix-
Eck-Daten
Der Verschlüsselungsstandard AES (Advanced Encryption
Standard) hat sich in Prozessor-, Mikrocontroller-, FPGAund SoC-Applikationen zur Sicherung der Dateneingabe
und Speicherung fest etabliert. Wegen der anspruchsvollen Operationen des AES-Algorithmus greifen Entwickler
zur Implementierung dieses Verschlüsselungsstandards
meist auf FPGA-Lösungen zurück. Nach der Beschreibung
des Algorithmus in der Hochsprache C erfolgt seine Beschleunigung in der Hardware-Implementierung. AES ist
damit ein gutes Beispiel, um die Vorteile der Entwicklungsumgebung SDSoC von Xilinx zu veranschaulichen.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
52
7C
54
08
72
6C
90
D0
3A
96
47
FC
1F
60
A0
17
09
E3
7B
2E
F8
70
D8
2C
91
AC
F1
56
DD
51
E0
2B
6A
39
94
A1
F6
48
AB
1E
11
74
1A
3E
A8
7F
3B
04
D5
82
32
66
64
50
00
8F
41
22
71
4B
33
A9
4D
7E
30
9B
A6
28
86
FD
8C
CA
4F
E7
1D
C6
88
19
AE
BA
36
2F
C2
D9
68
ED
BC
3F
67
AD
29
D2
07
B5
2A
77
A5
FF
23
24
98
B9
D3
0F
DC
35
C5
79
C7
4A
F5
D6
38
87
3D
B2
16
DA
0A
02
EA
85
89
20
31
0D
B0
26
BF
34
EE
76
D4
5E
F7
C1
97
E2
6F
9A
B1
2D
C8
E1
40
8E
4C
5B
A4
15
E4
AF
F2
F9
B7
DB
12
E5
EB
69
A3
43
95
A2
5C
46
58
BD
CF
37
62
C0
10
7A
BB
14
9E
44
0B
49
CC
57
05
03
CE
E8
0E
FE
59
9F
3C
63
81
C4
42
6D
5D
A7
B8
01
F0
1C
AA
78
27
93
83
55
F3
DE
FA
8B
65
8D
B3
13
B4
75
18
CD
80
C9
53
21
D7
E9
23
D1
B6
9D
45
8A
E6
DF
BE
5A
EC
9C
99
0C
FB
CB
4E
25
92
84
06
6B
73
6E
1B
F4
5F
EF
61
7D
S-Box für die Entschlüsselung
Columns (für die Runden 1 bis N – 1) sowie AddRound-Key (mit expandiertem Schlüssel). Es ist unbedingt sicherzustellen, dass dieser Prozess umkehrbar
ist, und sich der nicht lesbare Blocktext in Klartext
zurück verwandeln lässt, sodass die verschlüsselte
Information nutzbar ist. Dazu dienen die folgenden
Schritte: Invert Shift-Rows, Invert Sub-Bytes, AddRound-Key (mit expandiertem Schlüssel) sowie Invert
Mix-Columns (für die Runden 1 bis N – 1). Vor der
ersten Verschlüsselungsrunde muss noch eine
Anfangs-Add-Round-Key-Operation für die Ver- und
Entschlüsselung erfolgen.
Bild 1: Inhalte der
AES-Substutionsbox.
Algorithmus zur Expansion des Schlüssels
Dazu ein Blick auf den Algorithmus, der zur Expansion des Schlüssels zu nutzen ist, damit im Schüssel
genügend Bits für die Zahl der auszuführenden AddRound-Key-Schritte zur Verfügung stehen (Bild 3).
Schlüssellängen von 16, 24 oder 32 Byte erfordern
dabei entsprechend 44, 52, oder 60 Runden zur Expansion. Die ersten Bytes des expandierten Schlüssels
sind dem anfänglichen Schlüssel gleich. Dies bedeutet, dass im hier erläuterten AES256-Beispiel die ersten 32 Byte des expandierten Schlüssels der Schlüssel
selbst sind. Die Schlüsselexpansion generiert in jeder
Iteration die 32 zusätzlichen Bits für den expandierten
Schlüssel. Die wichtigsten Schritte der Schlüsselexelektronik industrie 04/2016
49
Bild 2: Operation der
Zeilenverschiebung.
B1
B5
B9
B13
B2
B6
B10
B14
B3
B7
B11
B15
B4
B8
B12
B16
Shift-Rows Eingangs-State
2
B1
B5
B9
B13
B6
B10
B14
B2
B11
B15
B3
B7
B16
B4
B8
B12
Resultat des Ausgangs-State
pansion sind: Rotate-Word – Dieser Schritt ist ähnlich
wie Shift-Rows. Er ordnet ein 32-Bit-Wort so um, dass
aus dem höchst signifikanten Byte (MSB) das niedrigst signifikante Byte (LSB) wird. Der Schritt Subword
verwendet dieselbe Substitutionsbox wie für die ByteSubstitutionen bei der Verschlüsselung, während der
Schritt rcon die Zweierpotenz auf einen vom Anwender definierten Wert bildet. Wie bei Mix-Columns
erfolgt die Ausführung von rcon im Galois-Körper.
Deshalb setzt man hier meist eine vorberechnete Lookup-Tafel ein. EK liefert vier Byte aus dem expandieren Schlüssel, K wie EK, vier Byte.
Überprüfung der Implementierung
Bild 3: Der Algorithmus zur Schlüsselexpansion.
Wie lässt sich die korrekte Implementierung der Algorithmen zur Verschlüsselung und zur Schlüsselerweiterung verifizieren? Die NIST-Spezifikation (National
Institute of Standards and Technology) für AES bietet
dazu eine Reihe von erprobten Beispielen, die sich zur
Überprüfung der eigenen Implementierung gut nutzen lassen.
3
50
Um sicherzustellen, dass sich der Verschlüsselungsteil des AES-Code in der programmierbaren Logik
(PL) des Zynq-SoC beschleunigen lässt, muss man
den Code von Anfang an mit diesem Ziel vor Augen
entwickeln. Die erste Betrachtung gilt dabei der Architektur des Algorithmus und seiner angemessenen
Segmentierung. AES ist für dieses Vorgehen gut geeignet, denn man kann Funktionen für jeden Schritt
schreiben und sie wie erforderlich aufrufen. Außerdem
ist für die zu beschleunigende Funktion eine eigene
Datei vorzusehen.
Die entsprechende Software-Architektur enthält
folgende Bestandteile: main.c, aes_enc.c, aes_enc.h
und sbox.h. Die Datei main.c enthält den Algorithmus
zur Schlüssel-Expansion, den Schlüssel selbst und
die Klartexteingabe, sowie den Call für die AES-Verschlüsselungsfunktion. Die Datei aes_enc.c führt die
Verschlüsselung aus. Jede Stufe codiert man jeweils
als eigene Funktion, sodass sie wie gefordert für die
AES-Runde aufrufbar ist. Damit diese Auslegung den
üblichen Implementierungen auf den Prozessoren
entspricht, verwendet man die Lookup-Tabellen der
Mixed-Step-Multiplikationen. Die Datei aes_enc.h
enthält die Definition der aes_Funktion und die Parameter zur Bestimmung ihrer Größe. Die Datei sbox.h
enthält die Substitutionsbox für die SubstitutionsBytes, die Lookup-Tabelle für die rcon-Funktion zur
Schlüsselerweiterung und die Lookup-Tabellen für
die Mix-Columns-Multiplikationen. Mit dieser Struktur lässt sich die zu beschleunigende AES-Verschlüsselungsfunktion durch Rechtsklick auf die Funktion
und über den Umschalter HW/SW wählen (Bild 4).
Beschleunigung der Funktion
Um die Realisierung der Mindest-Perfomance und
der Einsparungen durch die Beschleunigung der
Funktion sicherzustellen, muss es möglich sein, die
Ausführung der Funktion zeitlich festzulegen. Dazu
dient sds_clock_counter in sds_lib.h. Nach dem Schreiben des Quellcodes ließ sich der AES-Algorithmus
in 36.662 Prozessorzyklen in Software auf einem einzigen ARM-Cortex-A9-Prozessorkern im Zynq-SoC
ausführen.
Die Beschleunigung des AES-Algorithmus ist etwas
komplizierter als der Algorithmus zur Matrix-Multiplikation, da die Hauptschleife des AES-Algorithmus
aus voneinander abhängigen Stufen besteht. In der
Praxis lässt sich der AES-Algorithmus beschleunigen,
indem man die Schleifen untersucht, um festzustellen,
wo man sie zur Optimierung der Speicherbandbreite
entrollen kann. Darüber hinaus wählt man an dieser
Stelle die korrekte Taktfrequenz für den Datenfluss
und die Frequenz der Hardware-Funktionen.
Die Hauptschleife der AES-Verschlüsselungsfunktion umfasst die Funktionen für jeden AES-Schritt.
Jede Funktion des AES-Algorithmus muss vollständig
ausgeführt, und das Ergebnis berechnet sein, bevor
die nächste Funktion laufen kann. Diese Abhängigkeit
erfordert die volle Konzentration auf die als separate
Funktionen erstellten AES-Schritte.
Man kann die Schritte Add-Round-Key, Sub-Bytes
und Mix-Columns als Pipeline anordnen, um die
Leistungsfähigkeit zu steigern. Mit diesen Funktionen
führt man den HLS-Pipeline-Befehl durch Einsetzen
von Pragmas in die erste Schleife aus. Man sollte auch
die innere Schleife entrollen. Einige dieser Funktionen
stammen aus Lookup-Tabellen, die man normalerweise als Block-RAM realisiert. Um die Speicherbandbreite zu erhöhen, nutzt dieses Beispiel als PragmaParameter „complete“. Dies implementiert die Speicherinhalte als diskrete Register.
Speicherbandbreite erhöhen
Die Fähigkeit zum Datentransfer zwischen dem PSund dem PL-Teil des Zynq-SoC ist auch für die Steigerung der Performance von Bedeutung. Im ersten
Schritt erfolgte die Einstellung des Taktes im Netzwerk für den Datenfluss auf den höchsten möglichen
Wert: 200 MHz. Danach erfolgte die Sicherstellung
des direkten Speicherzugriffs beim Datentransfer
zwischen PS und PL. Dies erforderte ein Umschreiben
der Schnittstelle und die Nutzung der Funktion sds_
alloc, damit die Daten zusammenhängend im Speicher
stehen, wie es der DMA-Transfer fordert (Bild 6).
Als dritter und letzter Optimierungsschritt erfolgte die Einstellung der Taktrate für die HardwareFunktion auf die höchste der von dieser Applikation
unterstützten Frequenz: 166,67 MHz.
Nach dem Aufbau der Beispielschaltung lief der
PL-beschleunigte AES-Code unter Linux in 16.544
Prozessor-Ta ktz yk len. Dies entspr icht 45 %
(16.544/36.662) der Zyklenzahl beim Betrieb des AESCode nur in Software, was eine massive Reduktion
von 55 % in der Ausführungszeit für einen komplexen
und interdependenten Algorithmus bedeutet. Für die
Entwickungsumgebung SDSoC kann man auch die
4
Betriebssysteme Baremetal oder Free-RTOS nutzen.
Die Erstellung von Baremetal- und Free-RTOS-Projekten mit Code-Reuse erlaubt einen guten Vergleich
der Performance aller drei unterstützten Betriebssysteme. Die Wahl des Betriebssystems hängt von der
Art der Applikation, der geforderten Leistungsfähigkeit und dem Zeitbudget der Entwicklung ab.
Es ist nicht überraschend, dass sich mit Free-RTOS
und Baremetal ähnliche Reduktionen ergeben, denn
beide Betriebssysteme ermöglichen viel einfachere
Implementierungen als Linux. Wie die Ergebnisse
belegen, bringt der Einsatz der Entwickungsumgebung SDSoC zur Beschleunigung der AES-Verschlüsselung eine reale Verbesserung der Performance bei
einfacher Realisierung – auch ohne besondere Vorkenntnisse beim FPGA-Design. (hb/ah)
■
Autor
Adam Taylor, Chief Engineer von e2v.
infoDIREKT
604ei0416
Mehr Energieeffizienz, Leistungsdichte und
eine einfachere Anwendung.
Führende Power-Management-Lösungen für anspruchsvolle
Industrieanwendungen
•
Der synchrone 60V-Abwärtsregler ISL8117/A bietet mit seinem geringen Tastverhältnis
von 40 (40 ns Mindesteinschaltdauer) eine direkte Umwandlung von 48 V auf 1 V – und
das ohne zwischengeschaltete Wandlerstufe und ohne externe Kompensation.
•
Die 1A/0,5A LDO-Spannungsregler ISL80510/05 bieten bestes Dropout- und
Transientenverhalten für störungsempfindliche Lasten – und das zu einem
wettbewerbsfähigen Preis.
Zum Download von Datenblättern, Videos oder zur Bestellung von Mustern und
Evaluierungsboards unter intersil.com/analog-power
Bild 4: Dargestellt ist
die zu beschleunigende Funktion.
Sergey Nivens - Fotolia
Sensoren
Bitte ins Licht rücken
Infrarot-Abstandssensoren
Distanz-messende Sensoren gehören zu den Technologien, die eine breite Palette von Geräten intelligenter machen und besser auf die Bedürfnisse ihrer menschlichen Erfinder ausrichten – vom autonom agierenden Roboter bis zum Papierhandtuchspender. Dieser Beitrag
beschreibt Funktionsweise und Vorteile der Infrarot-Abstandssensoren von Sharp.
T
p
har
er: S
Bild
echnische Mittel zur natürlichen Interaktion
zwischen Mensch und Maschine lassen häufig
interessante Parallelen zur menschlichen Biologie erkennen. Stereoskopisches Sehen (auch als
höchste Form des Binokularsehens
bezeichnet) ist eine wichtige menschliche Fähigkeit zur Tiefenwahrnehmung mit beiden Augen. Letztendlich
funktioniert stereoskopisches
Sehen nach dem gleichen Prinzip
anspruchsvoller Abstandssensoren, um präzise Ergebnisse zu erzielen. Diese als Triangulation bekannte
Beim analogen Abstandssensor von Sharp variiert
der Signalausgang des PSD im Verhältnis zum Einfallswinkel des ankommenden Lichtes.
52
Funktion erlaubt die Berechnung der Position eines
unbekannten Punktes in einem Dreieck auf der
Grundlage der Entfernung zwischen zwei bekannten
Punkten und der Kenntnis des jeweiligen Winkels.
Stereoskopisches Sehen
Viele der heute gebräuchlichen Lichtschranken verlassen sich auf eine viel einfachere Konstruktion ohne
Triangulation. Diese Geräte verwenden stattdessen
eine Lichtquelle (meist Infrarot) in Kombination mit
einem photoelektrischen Empfänger, der das reflektierende Licht des Emitters messen kann. Die Lichtquelle und der Lichtsensor können entweder zusammen in einem einzigen Bauteil montiert werden oder
als zwei getrennte Einheiten, die eine sogenannte
Einweglichtschranke bilden. Reflex-Lichtschranken
senden einen Lichtstrahl auf einen Reflektor, der das
Sensoren
Sobald sich ein beleuchtetes Objekt nähert, ändert
sich nicht nur die Intensität des Lichts, sondern auch
der Einfallwinkel. Voraussetzung ist natürlich, dass
man den Winkel von einer etwas anderen Stelle misst,
als dort, wo sich die Lichtquelle befindet. Um den
Abstand zwischen Lichtquelle und Empfänger mithilfe des Einfallswinkels des Lichts zu messen, könnte man die Trigonometrie heranziehen, die auf der
Theorie der Triangulationsmessung basiert. Doch
obwohl die Grundprinzipien die gleichen sind, ist
Trigonometrie zur Abstandsmessung nicht so präzise wie die anspruchsvollen Infrarot-Abstandssensoren von Sharp.
Der Infrarot-Abstandssensor hat zwei optische Linsen, eine
für den Sender und eine für den Empfänger.
Licht zurück in die Einheit schickt. In beiden Fällen
erkennt der Empfänger, wenn der Strahl durch ein
Objekt unterbrochen wird. Reflex-Lichttaster sind auf
die Reflexion von Objekten in ihrer Nähe angewiesen.
Ist kein Objekt vorhanden, kann das Licht der Lichtquelle nicht zurückgeworfen werden. Tritt ein Objekt
in den Sensorbereich ein, wird ein Teil des ausgesendeten Lichts zurück in den integrierten Photodetektor
reflektiert und signalisiert somit das Vorhandenseins
eines Objekts.
Für kleine oder tragbare Geräte
Von den drei hier beschriebenen Lichtschranken ist
nur der Reflex-Lichttaster für kleine oder tragbare
Geräte geeignet, da diese eine zweiteilige retroreflektierende Anordnung nicht aufnehmen können. Automaten wie zum Beispiel berührungsfreie Wasserhähne in Toiletten können keine getrennten Sender-Empfänger-Komponenten unterbringen.
Eine Abstandmessung basierend auf der Menge des
reflektierten Lichts gestaltet sich teilweise problematisch. Reflex-Lichttaster besitzen eine Achillesferse:
den Absorptionsfaktor der Farbe. Die Farbe und Struktur der Oberfläche eines Gegenstandes kann einen
großen Einfluss darauf haben, wie viel Licht von der
ausgehenden Lichtquelle reflektiert wird. Solange
einfache Sensoren dies nicht exakt erkennen können,
ist die Genauigkeit der Reflex-Lichttaster beschränkt.
Eck-Daten
Je nach Einsatzbereich variieren die Anforderungen an
einen Sensor. Dafür ist es wichtig, den richtigen Sensor
nach unterschiedlichen Parametern auszuwählen. Diese
umfassen den digitalen Analogausgang, Mindesterfassungsabstand, maximale Reichweite und nicht zuletzt
Kosten und Größe. Mit über einem Dutzend verschiedener Modelle von 1,5 bis 550 cm Infrarot-Abstandssensoren liefert Sharp in viele unterschiedliche Branchen und
Applikationen.
Zwei optische Linsen
Sharp verwendet zwei optische Linsen, eine für den
Sender und eine für den Empfänger. Hinter der Empfangslinse befindet sich ein Position Sensitive Detector (PSD) – auch Optischer Positionssensor (OPS)
genannt –, der die Intensität der reflektierenden
ankommenden Infrarotstrahlung
mit einem linear angeordneten
Feld von Photodioden misst.
Für die analogen Abstandssensoren von Sharp variiert der Signalausgang des PSD im Verhältnis zum Einfallsw inkel des
a n kom menden Lichtes und
erzeugt eine Ausgangsspannung,
aus der sich unter Verwendung
einer mathematischen Formel der
Abstand des Objekts berechnen
lässt.
Je nach Einsatzbereich variieren die Anforderungen
an einen Sensor. Dafür ist es wichtig, den richtigen
Sensor nach unterschiedlichen Parametern auszuwählen. Diese umfassen den digitalen Analogausgang, Mindesterfassungsabstand, maximale Reichweite und nicht zuletzt Kosten und Größe. Mit über
einem Dutzend verschiedener Modelle von 1,5 bis 550
cm sind Sharp-Infrarot-Abstandssensoren in vielen
unterschiedlichen Branchen und Applikationen für
ihre Genauigkeit bekannt.
Mögliche Anwendungen reichen von der Dokumentenverarbeitung über Sanitäranlagen und Robotik bis hin zu Unterhaltungselektronik, Spielekonsolen und vielem mehr. So ist der hart arbeitende und
allgegenwärtige Infrarot-Abstandssensor dazu
bestimmt, eine menschlichere Note in eine ständig
steigende Zahl von Mensch-Maschine-Interaktionen
zu bringen. (ah)
n
Je nach Einsatzbereich
variieren die
Anforderungen an einen
Sensor.
Der Artikel beruht auf Unterlagen von Sharp.
53
Bild: arrow - Fotolia
Sensoren
PIR-Sensoren in
Sicherheits-Anwendungen
Hohe Detektierungs-Performance
Auf dem Prinzip der Pyroelektrizität basierende passive Infrarotsensoren (PIR) finden sich in
vielen Bewegungssensor-Designs wie beispielsweise in Sicherheitssystemen und intelligenten
Beleuchtungsanlagen. Ein winziges jedoch entscheidendes Element ist der zentrale Teil des
Bewegungssensors, der sich in einem hermetisch abgedichteten, runden Metallgehäuse befindet. Ein Beispiel für einen solchen PIR-Sensor ist der IRA-S210ST01 von Murata. Autor: Hiroshi Dan
M
54
Auf der Oberseite des versiegelten Gehäuses befinden sich
zwei rechteckige Schlitze aus einem Material, das für Infrarotstrahlung durchlässig ist. Dahinter sind zwei separate, angepasste Infrarotsensor-Elektroden angebracht, von denen eine ein
positives und die andere ein negatives Ausgangssignal liefert. Ist
kein Objekt zu detektieren, empfangen beide Sensoren die gleiche Menge an Infrarotstrahlung, die vom jeweiligen Raum mit
seinen Wänden und so weiter ausgeht. Beide Signale heben sich
somit auf, sodass am Ausgang kein Signal anliegt. Sollte bei-
Pins 1-2 on a horizontal plane
PIR
Detecting area
Heat source movement
Fresnel lens
Output signal
Bilder: Murata
eist ist das eigentliche Sensorelement eines PIR-Sensors zusammen mit Hilfsschaltungen auf einer kleinen Leiterplatte montiert. Hinzu kommt eine FresnelLinse aus Kunststoff, die in den überwiegenden Anwendungen
im äußeren Gehäuse integriert und so konstruiert ist, dass
bestimmte Vorgaben wie der Erfassungswinkel in X- und Y-Richtung, das Erfassungsmuster sowie die Reichweite eingehalten
werden.
Da diese Sensoren in Tausenden von großen Alarmanlagen
zum Einsatz kommen, zählt die Detektierungs-Performance zu
ihren zentralen Eigenschaften. Einerseits müssen die Sensoren
Bewegungen innerhalb des Erfassungsbereichs sicher erkennen
und andererseits Fehlalarme unterdrücken. Erforderlich ist zudem
eine Selbsttest-Funktion, die der Anlage eine nicht bestandene
Selbstdiagnose des Sensors signalisiert. Sensoren, die nicht die
Anforderungen professioneller Sicherheitssysteme erfüllen, bringen nicht nur Unannehmlichkeiten mit sich, sondern können im
Fall von Fehlalarmen auch Regressforderungen von Rettungsdiensten zur Folge haben. Zudem kann der Ruf des Sensorherstellers und des Alarmanlagen-Installateurs hierunter leiden.
Hinsichtlich der geltenden Vorschriften sind ebenfalls einige
Aspekte zu beachten. Zunächst beschreibt der Artikel erst einmal
die Funktionsweise des Sensors.
Bild 1: Funktionsprinzip des PIR-Sensors.
Sensoren
spielsweise ein Mensch oder ein Tier den Erfassungsbereich der
Infrarotquelle passieren, erzeugt zunächst die eine und danach
die andere Elektrode ein Signal, was die Sensorelektronik dazu
veranlasst, den Ausgang auf High-Status zu setzen.
Für Gleichspannungen von 2 V bis 15 V
Ein Beispiel für einen solchen PIR-Sensor ist der IRA-S210ST01
von Murata. Dieser Baustein mit drei Anschlüssen kann an Spannungen von +2 V bis +15 V DC betrieben werden und enthält einen
JFET. Der rauscharme JFET dient zur Umsetzung der Elektrodenausgänge auf einen besser nutzbaren Logikausgangspegel.
45° beträgt der Erfassungsbereich, also der maximale Winkel,
innerhalb dessen beide Elektroden dasselbe Objekt erfassen
können. Außerdem zeichnet sich der Sensor durch eine große
Unempfindlichkeit gegen externe Einflüsse wie etwa Vibrationen
oder Hochfrequenz-Störgrößen aus.
Entwickler von Alarmanlagen müssen eine Reihe international
anerkannter Normen erfüllen, wenn sie ihre Produkte vermarkten wollen. Eine dieser Normen, die EN 50130, bezieht sich speziell auf die Detektierungs-Testkriterien, die das betreffende
Sicherheitsprodukt erfüllen muss. In der EN 50131 sind die Kriterien für PIR-Detektoren zusammengefasst. Zu den technisch
anspruchsvollsten Tests für PIR-Detektoren gehören die Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit
(EMV) auf Basis der Norm EN 61000. Diese Norm gibt das Maß
an HF-Störgrößen und weißem Rauschen an, das unterdrückt
werden muss, damit der Sensor in professionellen Sicherheitssystemen eingesetzt werden kann.
Internationale Normen
Die Norm EN 50131-2-2 formuliert eine Vielzahl wichtiger
Performance-Kriterien wie etwa einen standardisierten Begehversuch mit den genauen mechanischen Abmessungen des
beweglichen Objekts sowie den Temperaturen an fünf verschiedenen Punkten des Körpers vom Kopf bis zu den Füßen. Weitere Tests beziehen sich auf die Immunität des Sensors gegen
Funktionsfehler sowie eine Reihe von Selbsttests, die der Sensor durchlaufen sollte, um seine korrekte Funktion zu verifizieren. Darin eingeschlossen ist die Erkennung jeglicher Versuche, das Sensorgehäuse zu manipulieren oder darin einzudringen. Zu den Immunitätsprüfungen gehören Pass/Fail-Tests
bei Konfrontation des Sensors mit einem erzwungenen heißen
Eck-Daten
Alarmanlagen sind für eine zuverlässige vertrauenswürdige Funktion
auf professionelle PIR-Sensoren angewiesen. Es kommt deshalb auf
die Verwendung von PIR-Sensoren an, die die verschiedenen einschlägigen Vorschriften erfüllen oder möglichst übertreffen.
Luftstrom, die Unterdrückung einer sichtbaren Lichtquelle und
das Ausbleiben der Reaktion auf Licht von Leuchtstoff-Leuchtmitteln oder Kfz-Scheinwerfern.
Auch wenn es nicht zu den Aufgaben des Elektronikentwicklers gehört, ist auch das Design der Linse wichtig. Mithilfe einer
Fresnellinse, die das Licht bündelt und den Erfassungsbereich
des Sensors vergrößert, lassen sich Detektierungswinkel und
Erfassungsmuster auf die Belange der jeweiligen Anwendung
abstimmen. Unter anderem ist es möglich, einen großen Erfassungsbereich mithilfe mehrerer Fresnellinsen in verschiedene
kleine Bereiche aufzuteilen.
Auf Sensor mit Analogausgang setzen
Bei einem PIR-basierten Sensordesign sollten Designer auf einen
Sensor mit Analogausgang setzen. Dieser bietet die größte Flexibilität beim Design der Verstärkerstufe und bei der Einbindung
verschiedener Filter zur Aufbereitung des Signals. Ein Evaluation-Board ist ebenfalls hilfreich beim Erstellen eines Designs,
beim Prototyping sowie beim Test vor der endgültigen Freigabe.
Für den PIR-Sensor von Murata gibt es das Evaluation-Board
IMX-037-80. Es enthält eine Verstärkerschaltung mit einer Verstärkung von 80 dB mit 1,46-Hz-Tiefpass und 0,48-Hz-Hochpass
für einen Analogausgang sowie einer Komparatorschaltung zur
Bereitstellung eines digitalen Ausgangssignals. (ah)
n
Autor
Hiroshi Dan
Product Manager Sensor Products, Murata Europe.
Landungsbrücke
Modulare Entwicklungsplattform

kürzeste Design-In Zeiten für Motorsteuerungen und

Schneller Start mit Evaluations-
Bus Interfaces durch Referenzlayouts
Software

Firmwareentwicklung
erleichtert durch Beispielcode
Bild 2: Aufteilung des Erfassungsbereichs in mehrere Teilsegmente.
Sensoren
Bil
der
:N
atio
nal
Ins
t
rum
ent
s
Bild 1: Das 24-GHz-LowPower-Radarsystem.
Detektion und Auswertung
Labview-basierte Echtzeitsignalverarbeitung für die Low-Power-Radarsensorik
Hochfrequenz-Radarsensoren sind eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Anwesenheits
sensoren. Der folgende Artikel beschreibt ein 24-GHz-Low-Power-Radarsystem und dessen Labview-basierte
Echtzeitsignalverarbeitung. Durch die phasenbasierte Messung ergibt sich eine hohe Sensitivität des Systems,
sodass es auch statische Personen anhand ihrer Vitalparameter detektieren kann.
Autoren: F. Lurz, S. Mann, S. Linz, S. Lindner, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. R. Weigel, PD Dr.-Ing. habil. A. Koelpin
N
eben dem klassischen Einsatz
für Sicherheitszwecke entstehen für Anwesenheitssensoren
mehr und mehr neue Anwendungen,
zum Beispiel für intelligente Beleuchtungskonzepte oder zur bedarfsgerechten Steuerung von Heizung, Lüftung
und Klimatechnik. Durch anwesenheitsbasierte Systeme lässt sich viel Energie
und damit auch Geld sparen, indem diese deaktiviert beziehungsweise in der
Leistung reduziert werden, wenn gerade
keine Person präsent ist. Herkömmliche
Lösungen, basierend auf passivem Infrarot oder Ultraschall, detektieren oftmals
statische Personen. Damit handelt es sich
bei diesen Lösungen eher um Bewegungsmelder als um einen echten Anwesenheitssensor. Mit HochfrequenzRadarsensorik lassen sich bereits geringste Bewegungen eines Menschen, die
während der Atmung oder durch den
Herzschlag entstehen, detektieren. Demzufolge erkennen Radarsysteme auch
Personen, die sich nicht bewegen.
56
Hardware des Radarsensors
Der hier vorgestellte Systemdemonstrator
ist ein einkanaliges monostatisches
24-GHz-Doppler-Radar mit einem minimalistischen Hardwarekonzept. Er besteht
aus einem freilaufenden spannungsgesteuerten Oszillator, der das Hochfrequenzsignal erzeugt. Dieses wird im Frontend in zwei Teile aufgeteilt. Über die
Antenne wird der erste Teil abgestrahlt,
am Ziel reflektiert und wieder empfangen.
Der zweite Teil dient als Referenzsignal
und wird mit dem durch einen rauscharmen Verstärker verstärkten Empfangssignal überlagert. An einem Leistungsdetektor wird dieses Referenzsignal dann
direkt ins Basisband umgesetzt.
Dadurch wird die relative Phasendifferenz zwischen den Hf-Signalen in einer
Gleichspannung codiert, die der A/DWandler des Mikrocontrollers nach einer
weiteren Verstärkung und Filterung digitalisiert. Die Rohdaten werden anschließend per USB an einen Laptop versendet,
der dann die Signalverarbeitung in Lab-
view realisiert. Durch zyklisches Messen,
mit einer Dauer von lediglich 60 µs pro
Einzelmessung, lässt sich die Leistungsaufnahme von 137,5 MW im kontinuier
lichen Modus auf wenige 100 mW im periodischen Modus reduzieren. Bild 1 zeigt
das Low-Power-Radarsystem.
Für eine effiziente Evaluierung des
Radarsensors sowie der Detektions
algorithmen ist ein flüssiges Feedback der
grafischen Benutzeroberfläche mit mini-
Eck-Daten
Aufgrund ihrer hohen Ortsauflösung können Radarsysteme eine drahtlose Detektion
von Vitalparametern wie Herzschlag oder
Atmung durchführen und so auch sich nicht
bewegende Personen detektieren. Der Artikel beschreibt die Labview-basierte Signalverarbeitung für ein 24-GHz-Low-PowerRadarsystem. Für eine effiziente Evaluierung
der Detektionsalgorithmen müssen diese
unter weichen Echtzeitbedingungen ausgeführt werden, um ein verzögerungsfreies
und flüssiges Feedback der grafischen
Oberfläche zu erhalten.
Sensoren
Bild 2: Vereinfachtes Blockschaltbild der Signalverarbeitung.
maler Verzögerung entscheidend. Deshalb
ist es erforderlich, den kompletten Ablauf
von der Signalerfassung bis zur Auswer
tung unter weichen Echtzeitbedingungen
auszuführen. Beim Entwurf der Anwen
dung auf Basis von Labview aus dem Hau
se National Instruments legte das Ent
wicklerteam Wert auf eine minimale Ver
zögerung und eine strikte Anwendung des
Datenflussprinzips, sodass sich möglichst
viele Anweisungen parallel prozessieren
lassen. Ein Blockschaltbild der Signalver
arbeitungskette ist in Bild 2 dargestellt.
Synchronisation, Vorverarbeitung
Die von der VISA-Schnittstelle empfan
genen Rohdaten des Radarsystems müssen
zuerst synchronisiert und vorverarbeitet
werden, um aus dem kontinuierlichen
Datenstrom von Character-Werten wieder
die korrekten Integer-Repräsentationen
zu erhalten. Danach lässt sich die relative
Phasenv erschiebung direkt in einem
Waveform-Chart darstellen, dessen Zeit
skala über Schieberegler der grafischen
Benutzeroberfläche einstellbar ist.
Für das Doppler-Spektrum sowie den
Detektionsalgorithmus ist jedoch ein eige
ner Ringpuffer mit dynamisch einstellba
rer Größe erforderlich. Diesen implemen
tierte man mithilfe einer auf die maximal
zu erwartende Größe dimensionierten
Lossy Queue. Beim Einfügen werden auto
matisch alte, nicht mehr benötigte Werte
entfernt. Über die „Get-Queue-Status“Funktion ist es möglich, alle Elemente zu
lesen und mittels „Array Subset“, entspre
chend den Einstellungen in der grafischen
Benutzeroberfläche, zeitlich zu fenstern.
Diese Daten werden dann für die Berech
nung des Doppler-Spektrums (per „Spec
tral Measurements Express VI“) bezie
hungsweise für den Detektionsalgorith
mus verwendet.
Bild 3: Grafische Benutzeroberfläche in Labview.
In Bild 3 ist die grafische Benutzerober
fläche zu sehen. Zwei Waveform-Charts,
die die relative Phase des zurückgestreu
ten Signals darstellen, finden sich im
unteren Bereich. Der erste Graph zeigt
diese mit aktivierter Autoscale-Funktion
an, der zweite im vollen Dynamikbereich
des ADCs (10 Bit). Rechts daneben ist das
Spektrum des aktuellen Zeitsignals dar
gestellt. Die Ergebnisse des Detektions
algorithmus lassen sich im „ActivityStatus“ erkennen. Dort zeigen vier LED
an, ob eine Aktivität detektiert wurde und
wenn ja, mit welcher Intensität (leicht /
mittel / stark). Links daneben hat der
Benutzer die Möglichkeit, die virtuelle
serielle Schnittstelle zu konfigurieren,
die Messrate des Radarsystems einzustel
len zwischen einer bis 254 Messungen
pro Sekunde und die Parameter für den
Algorithmus (Fensterlänge und Detekti
onsschwelle) anzupassen.
Detektionsalgorithmus
Da für die Bewegungserkennung nur die
relative Änderung innerhalb eines kurzen
Zeitfensters von typischerweise wenigen
Sekunden entscheidend ist, implementier
te man einen einfachen Algorithmus auf
Basis der Standardabweichung . Dieser
verwendet ein Fenster der letzten Abtast
werte und berechnet mit dem „STD
Deviation and Variance VI“ gemäß Bild 4.
Dies hat den Vorteil, dass der Mittelwert
des Signals, und damit auch alle statischen
Reflexionen, direkt aus der Berechnung
herausfallen. Auch langsame Drifteffekte,
die sich beispielsweise durch Temperatur
änderungen am Frontend ergeben, haben
keinen Einfluss auf das Ergebnis. Jegliche
Art von Aktivität und Bewegung erhöht
jedoch die Standardabweichung gegen
über dem Grundrauschen des Systems und
lassen sich dann über eine einfache
Schwellwertdetektion erkennen bezie
hungsweise ihrer Intensität nach klassifi
zieren und grafisch dargestellen. (ah) n
Autoren
Fabian Lurz
Friedrich-Alexander-Universität ErlangenNürnberg (FAU)
Sebastian Mann
Sarah Linz
Stefan Lindner
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Robert Weigel
PD Dr.-Ing. habil. Alexander Koelpin
infoDIREKT
615ei0416
» Modular High Voltage
Bild 4: Formel zur Berechnung der Standardabweichung.
[email protected] · www.hivolt.de
57
Bild: fotohansel - Fotolia
Kommunikation
Zur Cloud und zurück
Künftige Anforderungen an Feldgeräte im Internet of Things
Neue Sensoren werden künftig nicht nur E/A-Daten generieren sondern beispielsweise auch Diagnose- und
Zustandsdaten. Vor allem müssen diese neuen Informationen zur Weiterverarbeitung an einen zentralen Speicherort – eine Cloud – gelangen. Aktuelle Feldgeräte sind dafür in der Regel noch nicht ausgelegt, und Gerätehersteller stellen sich die Frage, was sie konkret in ihrem Feldgerät vorsehen müssen, um für den Einsatz in
Autor: Christof Hunger
einer Industrie-4.0-Anlage gerüstet zu sein.
I
n einer IoT-Umgebung soll in Zukunft für jedes
Feldgerät eine virtuelle Repräsentanz entstehen,
um neue Geschäftsmodelle wie zum Beispiel vorbeugende Wartung, Warenflusskontrolle oder auch
Prozessoptimierung zu ermöglichen. Bei genauerer
Betrachtung erkennt man, dass sich für Feldgeräte
zwei konkrete Forderungen hinsichtlich Hardware
und Software ableiten lassen. Allen voran ist eine IoTKommunikation zwischen Feldebene und Cloud herzustellen, wobei der Begriff Cloud stellvertretend für
verschiedene Formen zentraler Datenhaltung steht. Nicht jede Cloud hat zwangsweise etwas mit dem Internet zu tun, und
in der Fabrikautomation geht der Trend
Geräteorientierte Objekthin zu lokalen Clouds und Hybridlösunund Dienstschnittstelle
gen.
zwischen Applikation und
Kommunikation.
Eine zweite Forderung besteht darin,
bereits in den Feldgeräten Informationen
zu generieren, die über reine E/A-Daten
hinausgehen, wie beispielsweise Diagnose-, Analyseoder Zustandsdaten des Gerätes. Die so angereicherten Informationen sollen dann in Objekten mit einer
einheitlichen Semantik zusammengefasst und von
Cloud-Applikationen ausgewertet werden können
und die Basis für alle weiterführenden Dienste und
Geschäftsmodelle darstellen.
Netproxy
58
Der Nutzen der Cloud steigt mit Qualität und Menge der verfügbaren Daten, die dort zu erfassen sind,
wo sie anfallen, also im Sensor der Feldgeräte. Für die
IoT-Kommunikation vom Feldgerät in die Cloud gibt
es vielversprechende Protokolle, wobei sich mit OPC
UA und MQTT bewährte Technologien anbieten.
Wo genau beginnt die IoT-Kommunikation und wie
werden die Daten vom Feldgerät in die Cloud übermittelt? Sollen sie per Real-Time-Ethernet bis in einen
Datensammler oder eine Steuerung geschickt werden
und von dort weiter in eine Cloud? Oder gelangen die
Informationen direkt vom Feldgerät per OPC UA oder
MQTT über ein Edge-Gateway in die Cloud?
Hilscher vertritt den Standpunkt, dass die IoT-Kommunikation bereits im Feldgerät beginnt. Sie erfolgt
parallel zur Real-Time-Ethernet-Kommunikation über
das gleiche physikalische Medium. Dabei gelangen
die Informationen an der SPS vorbei über ein EdgeGateway oder auch direkt in die Cloud. Um eine
homogene Datenstruktur vom Feldgerät bis in die
Cloud zu ermöglichen, muss bereits im Feldgerät ein
Objektmodell etabliert sein. Idealerweise ist diese
Objektdarstellung unabhängig vom benutzten Echtzeitprotokoll und bereits in der Kommunikationseinheit des Gerätes, beispielsweise einem EmbeddedModul, implementiert.
Kommunikation
Aktuelle Feldgeräte sind oft noch nicht für diese
Anforderungen ausgelegt und die IoT-Kommunikation wird sich erst sukzessive in der Fabrikautomatisierung etablieren, entweder per neuartiger CloudApplikation von „oben nach unten“ oder durch IoTfähige Feldgeräte von „unten nach oben“. Ein IoTfähiges Gerät muss daher neben der IoT-Kommunikation auch einen Upgrade-Pfad für Bestandsanlagen
bereitstellen.
IoT-fähiges Embedded-Modul
Um Kunden eine IoT-fähige Lösung für EmbeddedSysteme zu bieten, hat Hilscher seine DIL32-Kommunikationsbaugruppe Net-IC weiterentwickelt und mit den zentralen IoT-Funktionen ausgestattet. Das Modul basiert auf dem Multiprotokoll-Chip Net-X52 und bietet dem Gerätehersteller
bestmögliche Flexibilität bei gleichzeitig einfachster
Handhabung.
Neben Real-Time-Ethernet-Kommunikation beinhaltet das Net-IC IOT einen integrierten OPC-UAServer und einen MQTT-Client. Über den TCP/IPKanal des Real-Time-Ethernet-Protokolls (zum Beispiel Profinet, Ethernet/IP) ist an der SPS vorbei der
Zugriff auf die Daten des Feldgerätes möglich. Dies
kann durch einen beliebigen OPC-UA-Client im
Ethernet-Netzwerk geschehen, oder die Daten werden
per Push-Mechanismus an einen vom Anwender frei
konfigurierbaren MQTT-Broker gesendet.
Protokollunabhängig
Kernstück des Net-IC IOT ist die Netproxy-Technologie von Hilscher. Die ganz spezifischen
Dienste, die jedes Netzwerksystem
anbietet, muss der Anwender in den
meisten Fällen selbst in seiner
Applikation programmieren. Das erfordert ein tiefes
Verstä nd n is
der Fun kt ionsweise des
jeweiligen
Netzwerksystems
und verursacht mit jedem
neuen Netzwerk zusätzli-
Eck-Daten
Feldgeräte spielen in den Innovationsbereichen Industrie
4.0 und Internet of Things (IoT) eine wichtige Rolle. Sie
müssen nicht nur zusätzliche Informationen liefern sondern auch für die optimale Kommunikation zwischen
Feldebene und Daten-Cloud gerüstet sein. Wie das Kommunikationsmodul Net-IC IOT von Hilscher dieser Aufgabenstellung gerecht wird, beschreibt dieser Beitrag.
chen Aufwand in der Applikationssoftware. An diesem Punkt setzt die Netproxy-Technologie an, deren
Grundgedanke die Schaffung einer geräteorientierten
Objekt- und Dienstschnittstelle zwischen Applikationen und Kommunikation ist. Diese Abstraktionsschicht versteckt die Komplexität der unterschiedlichen Netzwerkprotokolle und ermöglicht mit wenigen, einfachen Diensten den zyklischen beziehungsweise azyklischen Datenaustausch. Der Gerätehersteller muss nur noch diese generische ObjektSchnittstelle in seine Applikation einbinden, und
Netproxy setzt die Objekte selbstständig in entsprechende Netzwerkdienste um. Damit kann der OEM
seine Anwendung komplett losgelöst von protokollspezifischen Anforderungen erstellen und erhält ein
echtes Multiprotokollgerät.
Unterstützt wird der Gerätehersteller durch das
intelligente Engineering-Werkzeug Net-X-Studio, das
ihn durch den kompletten „Build-Prozess“ seines
Endgeräts führt. Mithilfe des Tools erstellt der OEM
die Objekt-Bibliothek für seine Gerätefamilie, das
spezifische Objektmodell für sein Produkt sowie das
Mapping auf das Kommunikationsprotokoll. Bei
der Gerätekonfiguration gibt er diejenigen
Objekte frei, die für die IoT-Kommunikation
über OPC UA, MQTT oder
für produktspezifische WebServer vorgesehen sind.
Dabei
Das Kommunikationsmodul NetIC IOT liefert die Daten per OPC
UA oder MQTT vom Feldgerät
direkt in die Cloud.
59
Kommunikation
Bilder: Hilscher
des Net-IC-basierendes Gerät um IoT-Funktionen
erweitern, ohne weitere Änderungen an der Hardware
vorzunehmen. Bei neuen Multiprotokollgeräten erfolgt
die Anbindung des Net-IC IOT an den Host-Prozessor über die 50 MHz schnelle SPI-Schnittstelle.
In beiden Fällen ist es allerdings erforderlich, die
Softwareapplikation auf dem Host-Prozessor um die
generische Objektschnittstelle Netproxy zu erweitern.
Als Transportmechanismus nutzt man das bewährte
Cif-X-Toolkit und erweitert es um die neue NetproxyAbstraktionsschicht. Damit reduziert sich die Schnittstelle zur Applikation auf ein reines Lesen und Schreiben von Objekten, und zwar unabhängig vom
benutzten Real-Time-Ethernet-Protokoll. In der Integrationsphase wird der Kundenapplikation das
Objektmodell durch entsprechende Header-Dateien
bekannt gemacht, welche automatisch im Build-Prozess durch das Engineering-Tool entstehen.
Build-Prozess mit modularem Aufbau
Mit Net-X-Studio lässt
sich das DIL-32-Pinning des Net-IC IOT
individuell festlegen.
Mit dem intelligenten
Engineering-Tool NetX-Studio erfolgt der
Build-Prozess in fünf
Phasen.
60
deckt das Engineering-Werkzeug alle relevanten
Inhalte und Themen für die erfolgreiche Inbetriebnahme ab. Der Endkunde nutzt für die finalen Anpassungen eine einfache Webserver-Schnittstelle.
Was muss nun ein Gerätehersteller in Bezug auf
Hardware und Software vorsehen, um der steigenden
Nachfrage nach IoT-fähigen Feldgeräten zu begegnen?
Dabei liegt der Fokus neben kompletten Neuentwicklungen auch auf dem IoT-Upgrade bestehender, NetIC-basierender Geräte.
Für beide Fälle bietet sich der kompakte, 10 mm
flache DIL-32-Kommunikationsbaustein Net-IC IOT
an, da er dem Gerätehersteller ein großes Maß an
Flexibilität bei gleichzeitig einfacher Handhabung
bietet. Das Pinning des Net-IC IOT ist flexibel konfigurierbar, und der Gerätehersteller kann im Engineering-Tool unterschiedliche Betriebsarten definieren.
Neben einem nahezu freien, kundenspezifischen
Arrangement der DIL-32-Signale gibt es für den
schnellen Einstieg zwei vordefinierte Modi. Einen
zum aktuellen NIC 50-RE Pin-kompatiblen Modus
mit der bekannten UART-Schnittstelle zum HostProzessor sowie ein angepasstes Pinning mit einer
50 MHz schnellen SPI-Host-Schnittstelle und zusätzlichen Sync-Signalen. Damit lässt sich ein bestehen-
Da alle netzwerkspezifischen Informationen und die
Verwaltung des Objektmodells in das Net-X-Gerät
verlagert werden, kommt dem modular aufgebauten
Build-Prozess mithilfe des Engieering-Tools Net-XStudio ein hoher Stellenwert zu. Anhand von Net-XStudio lässt er sich in fünf Phasen aufteilen, nämlich
Definition der Objekt-Bibliothek, Erstellen der spezifischen Applikation (Instanziierung der Objekte),
Kommunikationseinstellungen und Mapping, Produkt- und Herstellerangaben sowie die Net-IC-spezifische Konfiguration (zum Beispiel DIL-32-Pinning).
Zu Beginn eines neuen Projekts erstellt der Gerätehersteller das Objektmodell für sein Gerät beziehungsweise seine komplette Gerätefamilie. Neben
den typischen Objekt-, Element- und Variablen-Definitionen können an dieser Stelle auch sogenannte
„Label“ und „Attribute“ vergeben werden. Die Attribute beschreiben das Verhalten beziehungsweise die
Informationsrichtung des Objekts und erlauben somit
ein automatisches Mappen auf das gewünschte Kommunikationsprotokoll. Mit Labeln legt der Gerätehersteller fest, über welche Schnittstelle ein Objekt sichtbar sein soll, das heißt ob es nur über den Real-TimeEthernet-Kanal von der SPS gelesen werden kann
oder ob es auch über OPC UA, MQTT oder den Webserver zur Verfügung steht. Damit lassen sich schon
im Feldgerät die vorhandenen Informationen klar
zwischen normaler Echtzeit-Kommunikation und
neuen Industrie-4.0-Anwendungen aufteilen.
Danach instanziiert der Hersteller die erforderlichen
Objekte für sein spezifisches Gerät und wählt dabei
aus der zuvor definierten Objektbibliothek aus. Die
damit eindeutig beschriebene Schnittstelle zwischen
der Kommunikationseinheit und der Applikationssoftware dient als Basis für das automatische Generieren der gerätespezifischen Header-Datei.
Kommunikation
Input
Output
Applikation
Geräte- & Fertigungsdaten
Handshake Status
Cyclic Data
CoE objects
Sync
Alarms
Handshake Status
Cyclic Data
Slot / Subslot
Sync
Alarms
Commands
Netproxy
Commands
Kommunikation
Konfigurationsdaten
Gerät
Objekt
Modell
Commands
Nach den applikativen Definitionen erfolgen die
Kommunikations-Einstellungen. Es kommt zur Auswahl und Grundkonfiguration des Real-Time-Ethernet-Systems und man legt fest, ob zusätzlich per OPC
UA und/oder MQTT kommuniziert werden soll. In
diesem Schritt findet auch das Mapping der protokollunabhängigen Objekte auf die protokollspezifischen Dienste und Services des Real-Time-EthernetProtokolls statt. Durch die bereits definierten Attribute erfolgt die Verknüpfung automatisch. Der Gerätehersteller aktiviert den integrierten Webserver mit
zugehöriger Benutzerverwaltung, der als Diagnoseund Bedienschnittstelle für den Endkunden dient.
Der nächste Schritt dient der Verwaltung von produkt- und herstellerspezifischen Angaben zur automatischen Erzeugung der spezifischen Gerätebeschreibungsdatei. Im abschließenden Schritt kann
der Gerätehersteller die hardwarespezifischen Einstellungen des Net-IC IOT vornehmen, das heißt die
Auswahl des gewünschten DIL-32-Pinning sowie die
zugehörige Konfiguration. Hier wird künftig die
Anbindung eines TPM-Chips für erweiterte Sicherheitsmechanismen ermöglicht.
Am Ende des Build-Prozesses erhält der Gerätehersteller ein downloadfähiges Image für das Net-IC
IOT, die Header-Dateien für die Integration in seine
Softwareapplikation sowie eine Gerätebeschreibungsdatei. Er entscheidet im Build-Prozess selbst, wann
und für welche Daten er die OPC-UA- oder MQTTFunktion in seinem Produkt aktiviert.
Auch über Security und Privacy für die Feldgeräte
gilt es nachzudenken. In vielen Fällen ist das Sicherheitskonzept der firmeneigenen IT-Infrastruktur ausreichend. Idealerweise besitzt bereits das Feldgerät
oder das Kommunikationsmodul Security-Mecha-
Handshake
Status
Cyclic Data
CIP objects
Sync
Alarms
nismen. Speziell für die Industrie sind weiterführende Ansätze in der Diskussion, wie der Einsatz von
TPM-Chips (Trusted Platform Module). Zukünftig ist
Net-IC IOT um weiterführende Sicherheitsmechanismen erweiterbar, wie zum Beispiel das „Secure Boot“.
Erste Sicherheitsfunktionen auf Basis TPM 1.2 für
Net-IC IOT sollen bis Ende des Jahres präsentiert
werden können. (pet/ah)
■
Netproxy ist die geräteorientierte Objektschnittstelle zwischen
Kommunikation und
Applikation.
Autor
Christof Hunger
Produktmanager für die Bereiche Embedded
Module, PC-Karten und funktionale Sicherheit bei Hilscher.
infoDIREKT
403ei0416
SCHNELL . ZUVERLÄSSIG . PROFESSIONELL
Deutschlandweit 4,90 Euro Lieferkostenpauschale
Zustellung am nächsten Arbeitstag bei Bestelleingang bis 18:00 Uhr
500 namhafte Hersteller
75.000 Artikel ab Lager verfügbar
Sitz mit Ladengeschäft in Oberhaching bei München
buerklin.com
Die Fachverlagsgruppe Hüthig GmbH, ein Unternehmen des Süddeutschen Verlages, publiziert
zahlreiche technische Fachzeitschriften, unter anderem in den Bereichen Elektronik, Elektrotechnik,
Chemietechnik, Verpackungstechnik und Kunststoffverarbeitung.
Bei der Hüthig GmbH am Standort Landsberg/München suchen wir zum nächstmöglichen
Zeitpunkt für die Fachzeitschriften elektronik industrie, elektronik journal, AUTOMOBILELEKTRONIK, emobility tec sowie für das Portal www.all-electronics.de eine/n
Elektronik-Spezialist/in
Sie haben Elektrotechnik oder Elektronik gelernt oder studiert und wollen Ihr Wissen weitergeben?
Als Fachredakteur bleiben Sie stets auf der Höhe der Technik, sprechen mit den Top-Spezialisten der
Branche und schreiben für die Elektronik-Entwickler im deutschsprachigen Raum.
Ihr Aufgabengebiet:



Themenplanung, Recherche, Schreiben und Bearbeiten von Manuskripten für Online und
Print über Themen der Elektronikentwicklung für Industrie und Automobil
Firmen-, Messe- und Veranstaltungsbesuche
Aufbau und Betreuung eines persönlichen Informationsnetzes
Ihr Profil:






Profunde Elektronikkenntnisse, zum Beispiel durch ein Studium oder eine einschlägige
Ausbildung
Gute Kenntnisse in mehreren Fachbereichen, zum Beispiel Leistungselektronik und
Stromversorgungen, Embedded und Mikrocontroller, Optoelektronik, diskrete Halbleiter und
passive Bauteile, Elektromechanik (Gehäuse, Steckverbinder und Kabel), Messtechnik
Freude am Schreiben und dem Umgang mit Texten
Gute Recherche-Fähigkeiten
Zielgruppengetreues Arbeiten
Teamfähigkeit und Engagement auch unter Zeitdruck
Wir bieten Ihnen:




Sehr gute Weiterbildungs- und Aufstiegsmöglichkeiten
Professionelle Einarbeitung und Einbettung in ein kollegiales Team
Firmeninterne Weiterbildungsakademie
Kantine im Haus
Haben wir Ihr Interesse geweckt?
Dann freuen wir uns über Ihre aussagekräftigen Bewerbungsunterlagen unter Angabe des
frühestmöglichen Eintrittstermins sowie Ihrer Gehaltsvorstellung, online auf www.swmh.de unter
Karriere  Stellen & Bewerbung.
Neue Produkte
System-on-Chip-Modul mit vielen I /Os
Großes Angebot auf kleiner Fläche
Bild: Enclustra
Herzstück
des Moduls
ist ein Cyclone-V-SoC
von Altera.
schnelle 28 nm FPGA-Fabric, 2 GByte
DDR3L-SDRAM sowie 64 MByte QuadSPI-Flash. Zudem stehen neun MGTs mit
einer Datenrate von bis zu 6 Gbps, PCIe
Gen1/Gen2 x4, Gigabit Ethernet, zweimal
Fast Ethernet, USB 3.0 und USB 2.0 zur
Auswahl. Das Modul ist sowohl mit kommerziellem als auch industriellem Temperaturbereich erhältlich und benötigt für
den Betrieb nur eine einzige Versorgungsspannung zwischen 5 und 15 V.
Die Produkte können auf ein umfassendes Ökosystem zugreifen: inklusive einer
kompletten Entwicklungsplattform und
einem Referenzdesign. (mou)
n
Vollintegrierter Farbsensor
Offene, modulare IoT-Architektur
Garant für langzeitstabiles LED-Licht
Die industrietaugliche Plattform Mica von Adlink unterstützt die Anforderungen der nativen Virtualisierung für softwaredefinierte Netzwerkgeräte
und virtualisierte Netzwerk-Funktionen. Dabei integriert sie eine umfangreiche Palette modernster Hardware-Beschleunigungstechnologien, um die Verarbeitung von Netzwerk-Paketen und Videostreams zu
pushen. Die gesamte Funktionalität
wird auf einer offenen, modularen
Rechenarchitektur bereitgestellt.
Mica ist eine anwendungsbereite,
intelligente Plattform (ARIP) für anspruchsvolles Cloud-Computing. Sie unterstützt Packet-Manager, ein Software-Paket für Netzwerkverkehr-Management, das die Paketverarbeitung
bei Telekommunikations-, Netzwerk- und Sicherheits-Equipment beschleunigt. Auch unterstützt sie die Media-Manager-Software, ausgelegt
für sehr hohe Leistung beispielsweise bei der Videobearbeitung.
Der Farbsensor MTCS-CDCAF von Mazet ist eine vollintegrierte SensorChip-Lösung der Jencolor-Familie. Er zeichnet sich durch eine True-ColorFilter-Funktion, die integrierte Signalverstärkung auf Basis einer Strom-Ladungs-Digital-Wandlung sowie einen Temperatursensor on Chip aus.
Der Sensor vereint die Funktionalitäten des Jencolor-MTCSiCF-Detektors
und des digitalen Signalwandlers
MCDC04. Zudem ist er an anwendungsspezifische Anforderungen für
Applikationen wie Lighting angepasst. So misst der Sensor präzise
die Farbkoordinaten von Licht als XYZ-Signale im CIE 1931-Farbraum. Zu den Anwendungsbereichen gehören das Messen von Farbtemperatur (CCT) und Farbort, Helligkeit sowie anderen lichttechnischen Größen wie PWM-Frequenz oder Flicker von LED-Leuchten oder BacklightSystemen von Monitoren.
Bild: Mazet
Cloud-Computing
HF/VHF- und UHF-Sende/Empfangsumschalter
Für Test- und Messgeräte
PIN-Dioden-Schalter
Neue SHV-Reed-Relais-Serie
Der einpolige reflektive PIN-Dioden-Schalter MPS2R10-606 von Microsemi
(Vertrieb Eurocomp) verfügt über ein nichtmagnetisches 2,03 mm × 1,27
mm großes Microwave-Surface-Mount (MMSM) -Gehäuse. Optimiert ist
der PIN-Dioden-Schalter für Serienshunts für hohe Frequenzen und er eignet sich für den Einsatz in HF/VHFund UHF-Sende/Empfangsumschaltern wie zum Beispiel in der Luftfahrt- und Marinekommunikation, in
Kernspintomographen sowie Mobilfunk-Sendestationen. Bis zu 100 W
CW (zeitlich konstante Welle) schaltet das Bauteil, es hat eine geringe
Einfügungsdämpfung von 0,2 dB, eine hohe Isolation von 55 dB sowie eine geringe Rückflussdämpfung von
15 dB. Weiterhin zeichnet er sich durch eine hohe Schaltgeschwindigkeit
von 500 ns aus. Eine Chip-Passivation im robusten Glaskörper ergibt geringe Leckströme. Der MPS2R10-606 erfüllt die RoHS-Anforderungen nach
der EU Directive 2002/95/EC und eignet sich für alle Reflow-Löttechniken.
Standex-Meder Electronics kündigt eine umspritzte Version des SIL-HVReed-Relais an, die kleiner und kompakter ist als der vergossene Vorgänger. Die Relais haben standardmäßig ein internes magnetisches Schutzschild, das bei dicht gepackten Matrixanordnungen mögliche Störungen
abschirmt. Mit einer hohen Durchbruchsspannung und einem Kontaktwiderstand von 70 mΩ eignet
sich das SIL-HV-Relais für Hochspannungsanwendungen im Bereich
Test- und Messtechnik. Weitere Verbesserungen sind eine Nennleistung
von 100 W, eine Schaltspannung
von 1000 VDC, ein Schaltstrom von 1
A, sowie eine Isolations- und Durchbruchsspannung von bis zu 4 kVDC. Der
Isolationswiederstand zwischen Spule und Kontakt beträgt 10 TΩ, auch
gibt es eine optionale Schutzdiode. Durch das Umspritzen ist das Relais,
insbesondere gegen Feuchtigkeit, deutlich widerstandsfähiger für den
Verarbeitungsprozess als auch für die alltägliche Anwendung geworden.
Bild: Standex-Meder Electronics
Bild: Eurocomp
Bild: Adlink
Mit dem Mercury+ SA2 präsentiert Enclustra ein auf dem System-on-Chip Cyclone
V von Altera basierendes Modul. Durch
die Kombination von 258 User-I/Os, leistungsfähigem Prozessorsystem und zahlreichen Standardschnittstellen eignet sich
das kompakte Modul auch für anspruchsvolle Anwendungen.
Auf einer Fläche von 74 × 54 mm2 versammelt das Modul Mercury+ SA2 von
Enclustra neben den I/Os einen ARMDual-Core-Cortex-A9-Prozessor, eine
63
Literatur
Bild: TDE
Bild: Lohmeier
Bild: Labom
Bilder: Würth Elektronik Eisos
Medien-SPIEGEL
Power Module
Schaltschrank-Wissen
Blätterkatalog
Aktualisierter Katalog
Gesamtkatalog
Labom hat seinen neuen Katalog
publiziert. Mit dem digitalen Blätterkatalog verbindet Labom die
Gestaltung des Printkatalogs mit
den Vorteilen der Online-Recherche. Die gedruckte Version können
Interessenten kostenlos anfordern.
Der fast 600 Seiten starke Band
präsentiert das gesamte Produktspektrum von der Druckmesstechnik bis hin zu elektrischer
Temperaturmesstechnik.
Ab sofort ist der neue und erweiterte Power-Modul-Katalog 2016
von Würth Elektronik verfügbar. Er
soll die Auswahl geeigneter Abwärtswandler und LED-Treiber
komfortabler machen. Ein Auswahl-Tool stellt die Produktgruppen übersichtlich dar, wichtige
Funktionen sind über Piktogramme erkennbar. Erstmals enthält der
Katalog auch eine Übersicht über
die verfügbaren Application Notes.
Lohmeier hat seinen neuen Katalog herausgebracht. Auf über 180
Seiten informiert das Unternehmen über seine Produkte: Neben
den neuen Edelstahl-Klemmenkästen für aggressive Umgebungsbedingungen und hohe hygienische
Anforderungen gehören auch Anreih- und Standschaltschränke sowie anreihbare und in verschiedenen Materialien erhältliche Wandgehäuse zum Produktportfolio.
Trans Data Elektronik (TDE) hat einen neuen Internetauftritt: Den
Besucher erwartet ein responsives
Webdesign mit intuitiver Nutzerführung. Über seine Produktbilder
und die klare Menüführung gelangen Nutzer in kürzester Zeit zu den
gewünschten Kategorien und Lösungen. Bei der Konzeption hat
TDE Wert auf die nahtlose Verbindung des Online-Katalogs zum
TDE-eigenen Shop gelegt.
infoDIREKT
infoDIREKT
infoDIREKT
infoDIREKT
150ei0415
152ei0416
Der „Power-Modul-Katalog 2016“
ist jetzt online oder kann bestellt
werden.
Homepage-Relaunch
155ei0416
Der Gesamtkatalog steht als PDF
auf der Webseite und als gedruckte Version zur Verfügung.
154ei0416
Die neue Trans-Data-ElektronikWebsite ist unter www.tde.de zu
erreichen.
Bild:
Bicke
r Elek
Bild: Standex-Meder
Der Katalog ist online verfügbar
und kann als Printversion angefordert werden.
Responsives Webdesign
tronik
Messgeräte
Produkte 2016
Neuer Produktkatalog
Power-and-Board
RS Components hat zusammen mit Raspberry Pi die dritte Generation des
Low-Cost-Computer-Boards vorgestellt. Seit Ende Februar liefert RS den
neuen kreditkartengroßen Single-Board-Computer Raspberry Pi 3, Modell
B, mit 50 % mehr Leistung als der Raspberry Pi 2 und integrierten Bluetooth und Wireless-LAN-Kommunikationstechnologien.
Standex-Meder Electronics hat seinen Produktkatalog „Planar Transformatoren & Spulen“ herausgebracht. Er beinhaltet patentierte
Planar-Transformatoren und Spulen in Standardausführungen, welche sich an spezifische Anwendungen anpassen lassen. Batteriemanagement-Systeme, spezielle
Netzteile sowie industrielle Anwendungen sind nur einige Planarlösungen des Unternehmens.
Bicker Elektronik hat seinen Produktkatalog 2016 herausgebracht.
Er ist ab sofort verfügbar. Auf rund
240 Seiten stellt Bicker seine neuen Stromversorgungs- und USVLösungen sowie sein Angebot an
Systemkomponenten mit aktuellen Skylake- und Braswell-Boards
vor. Die Systemkomponenten umfasst nun vier Industrie-Mainboard-Hersteller (Fujitsu, ASRock,
Avalue und Perfectron).
infoDIREKT
infoDIREKT
infoDIREKT
Bild: Christopher Link
Transformatoren
Online-Video
Interview mit Gordon Hollingworth,
Director of Engineering bei Raspberry Pi
103ae0316
Das Online-Interview mit Gordon Hollingworth steht auf unserer Website
www.all-electronics.de zur Verfügung und lässt sich unter der oben angegebenen infoDIREKT-Nummer im Suchfeld finden.
64
156ei0416
Der Standex-Meder-Katalog steht
kostenlos auf der Firmenwebsite
bereit.
151ei0416
Der Katalog ist in gedruckter Form
in Deutsch oder Englisch und als
PDF-Download verfügbar.
Gewinnspiel
Gewinn-SPIEL
Eurocomp verlost ein
SiC-MOSFET-Modultreiber-Evaluationboard
Einsendeschluss
13.05.2016
Von -5 bis +20 V
(+20 V einstellbar
um ± 15 %) reicht die
Treiberfähigkeit. Das
Board hat eine hohe
Gleichtakt-Transientenimmunität
von (CMTI) >35 kV/μs und ist ausgelegt für Gate-Spitzenströme bis
30 A (wenn der Pufferverstärker
enabled ist) oder bis 4 A mit PufEinsendeschluss ist der 13. Mai. Die ferverstärker disabled. Für den
Anwender stehen verschiedene
Gewinner werden nach Bekanntgabe der Auslosung über ihren Ge- Logiksteuereingänge zur Verfüwinn informiert. Der Rechtsweg ist gung: TTL, CMOS 3,3 V, CMOS 5,0
V sowie RS422/RS485. Das Evaluaausgeschlossen.
tionboard kann 2000-nC-Module
Auf dem Board kommt der Treiber- mit über 400 kHz (>20 W) treiben;
es ist stapelbar und ist in der LaIC TLP5214 von Toshiba zum Einsatz, ein weit verbreiteter voll iso- ge, Mehrfach-MOSFET-Module zu
unterstützen. (ah)
lierter Gatetreiber. Das Board ist
komplett isoliert und kann SiCMOSFET-Module bis 1700 V von
Microsemi oder anderen HerstelinfoDIREKT
650ei0416
lern unterstützen.
Bild: Eurocomp
Gewinnen Sie mit
elektronik industrie
ein MOSFET-Modultreiber-Evaluationboard im
Wert von 1000 €, gesponsert
von Eurocomp Elektronik. Zur Teilnahme senden Sie bitte eine EMail an [email protected]. Im Betreff geben Sie Gewinnspiel an.
+ + +Marktübersichten+ + +Fachartikel
+ + +Branchenmeldungen+ + +Stellenmarkt+++Whitepapers+++Produkte+++
Newsletter+++RSS Feed+++Branchentermine+++topaktuell und kostenlos auf
www.all-electronics.de
ae_fueller_ticker_1_2_quer_178x126.indd 1
11.01.2016 16:00:17
65
Verzeichnisse/Impressum
Inserenten
AMA5
47
Beta LAYOUT Bürklin 61
37
COMSOL Deutschmann8
Digi-Key
Titelseite, 2. US
Dynamis Batterien
28
27
E-A Elektro-Automatik
Elektrosil29
EMTRON30
Enclustra 45
3
Fischer Frizlen 19
GAÏA CONVERTER
33
Hivolt.de 57
9
iC-Haus infineon
4. US
15
inpotron Intersil51
Macnica43
Mesago PCIM
17
MTM Power
25
OMICRON 23
Beilage
Pickering Electronics RECOM35
Reinhardt25
RohmTitelseite
Rohrer15
Schulz-Electronic 21
TRACO ELECTRONIC GmbH
31
TRINAMIC55
41
Würth Elektronik eiSos Enclustra63
Eurocomp
63, 65
Exar38
Feas 30
Fraunhofer FEP
6, 9
Fraunhofer IAF
9
Fraunhofer IPT
6
Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg 56
Fujitsu Electronics Europe
43
German LED Tech
6
Google46
Häusermann6
Hilscher58
HP46
Hy-Line Power Components
17
Infineon Technologies
6
Infinite Power Solutions
18
Inrevium43
Intel44
Intelleflex18
Jinke Energy Development
18
Labom64
La Cie
46
44
Lattice Semiconductor
Le TV
46
Lohmeier64
Maxim18
Mazet63
Mean Well
17
Messe Frankfurt
6
Microchip32
Microsemi63
Microsyst7
Murata54
6, 7, 9, 56
Nexus46
Nokia46
NXP22
46
One Plus 2
Phase IV
18
Power Integrations
30
Powerstream18
Renkforce6
Rohm Semiconductor
10
RS Components
6, 64
6
Samsung Semiconductor
Sandisk46
Sensirion
7, 18
Sharp52
Silicon Labs
34
Standex-Meder Electronics
63, 64
ST Microelectronics
18
Syko14
T&M Solutions
9
Texas Instruments
7, 18
43
Tokyo Electron Device
Trans Data Elektronik 64
Würth Elektronik
64
Xilinx
43, 48
Yuasa31
Zürcher Hochschule für Angewandte
Wissenschaften18
ZVEI3,9
Unternehmen
3M6
Adlink63
Advantech7
Altera40
Analog Devices
26
Apple46
ARM7
Averna 9
Barthelme6
Batteryuniversity8
Bicker Elektronik 64
Bosch Sensortec
7
18
Caen RFID
Comsol Multiphysics
7
Conrad Electronic
6
Conta-Clip6
CUI7
DAKKS8
Dresden Elektronik
6
E2V48
Empa9
Emtron17
Impressum
www.elektronik-industrie.de IHRE KONTAKTE:
Abonnement- und Leserservice:
47. Jahrgang 2016
Tel: +49 (0) 8191 125-777, Fax: -799
ISSN 0174-5522
E-Mail: [email protected]
Redaktion: Tel: +49 (0) 8191 125-830, Fax: -141
Anzeigen: Tel: +49 (0) 6221 489-363, Fax: -482
REDAKTION
Chefredakteur:
Dipl.-Ing. Hans Jaschinski (jj)
Tel: +49 (0) 8191 125-830, E-Mail: [email protected]
Dipl.-Ing. Alfred Vollmer (av) (v.i.S.d.P.)
Redaktion:
Dipl.-Ing. Andrea Hackbarth (ah)
Jennifer Cathrin Kallweit (jck)
Dr.-Ing. Achim Leitner (lei)
Dipl.-Ing. Jens Wallmann (jwa)
Freie Mitarbeiter: Harald Biebel (hb), Jessica Mouchegh (mou),
Kurt Peteler (pet)
Office Manager und Sonderdruckservice:
Waltraud Müller, Tel: +49 (0) 8191 125-408
AnzeigeN
Anzeigenleitung:
Frank Henning, Tel: +49 (0) 6221 489-363
Anzeigendisposition:
Angelika Scheffler, Tel: +49 (0) 6221 489-392
Zur Zeit gilt die Anzeigenpreisliste Nr. 46 vom 01.10.2015
Vertrieb
Vertriebsleitung:
Hermann Weixler
Abonnement:
http://www.elektronik-industrie.de/abo/
66
Bezugspreis Jahresabonnement:
Inland
€ 176,00 (zzgl. €15,00 Versand & MwSt. = € 204,81)
Ausland
€ 176,00 (zzgl. €30,00 Versand & MwSt. = € 220,86)
Einzelverkaufspreis € 19,50 ( inkl. MwSt. & zzgl. Versand)
Der Studentenrabatt beträgt 35 %
Kündigungsfrist:
Jederzeit mit einer Frist von 4 Wochen zum Monatsende.
Abonnement- und Leserservice:
Hüthig GmbH, Leserservice, 86894 Landsberg
Tel: +49 (0) 8191 125-777, Fax: +49 (0) 8191 125-799
Erscheinungsweise: 12 x jährlich
Verlag Hüthig GmbH, Im Weiher 10, 69121 Heidelberg
www.huethig.de, Amtsgericht Mannheim HRB 703044
Geschäftsführung: Fabian Müller
Verlagsleitung: Rainer Simon
Produktmanager Online: Philip Fischer
Leitung Herstellung: Horst Althammer
Art Director: Jürgen Claus
Layout und Druckvorstufe: Karin Köhler, Aida Saljic
Druck: pva GmbH, Landau
© Copyright Hüthig GmbH 2016, Heidelberg.
Eine Haftung für die Richtigkeit der Veröffentlichung kann trotz sorgfältiger Prüfung durch die Redaktion, vom Verleger und Herausgeber nicht
übernommen werden. Die Zeitschriften, alle in ihr enthaltenen Beiträge
und Abbildungen, sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für
Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen.
Mit der Annahme des Manuskripts und seiner Veröffentlichung in dieser
Zeitschrift geht das umfassende, ausschließliche, räumlich, zeitlich und
inhaltlich unbeschränkte Nutzungsrecht auf den Verlag über. Dies umfasst
insbesondere das Printmediarecht zur Veröffentlichung in Printmedien
aller Art sowie entsprechender Vervielfältigung und Verbreitung, das Recht
zur Bearbeitung, Umgestaltung und Übersetzung, das Recht zur Nutzung
für eigene Werbezwecke, das Recht zur elektronischen/digitalen Verwertung, z. B. Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen,
zur Veröffentlichung in Datennetzen sowie Datenträger jedweder Art, wie
z. B. die Darstellung im Rahmen von Internet- und Online-Dienstleistungen, CD-ROM, CD und DVD und der Datenbanknutzung und das Recht, die
vorgenannten Nutzungsrechte auf Dritte zu übertragen, d. h. Nachdruckrechte einzuräumen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen und dergleichen in dieser Zeitschrift berechtigt
auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zur Annahme, dass solche
Namen im Sinne des Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als
frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen.
Für unverlangt eingesandte Manuskripte wird keine Haftung übernommen.
Mit Namen oder Zeichen des Verfassers gekennzeichnete Beiträge stellen
nicht unbedingt die Meinung der Redaktion dar. Es gelten die allgemeinen
Geschäftsbedingungen für Autorenbeiträge.
Auslandsvertretungen
Schweiz, Liechtenstein:
Katja Hammelbeck, Interpress
Bahnhofstrasse 31, CH-8280 Kreuzlingen,
Tel: +41 (0) 71 552 02 12, Fax: +41 (0) 71 552 02 10,
Österreich, Großbritannien, USA, Kanada:
Marion Taylor-Hauser, Max-Böhm-Ring 3, 95488 Eckersdorf
Tel: +49 (0) 921 316 63, Fax: +49 (0) 921 328 75
Angeschlossen der Informationsgemeinschaft zur Feststellung
der Verbreitung von Werbeträgern (IVW) (Printed in Germany)
Datenschutz
Ihre Angaben werden von uns für die Vertragsabwicklung und für
interne Marktforschung gespeichert, verarbeitet und genutzt und
um von uns und per Post von unseren Kooperationspartnern über
Produkte und Dienstleistungen informiert zu werden. Wenn Sie dies
nicht mehr wünschen können Sie dem jederzeit mit Wirkung für die
Zukunft unter [email protected] widersprechen.
Überlegen in Theorie und P
raxis.
elektronik industrie ist das
Fachmagazin für Elektronikentwickler
im deutschsprachigen Raum.
Umfassend, journalistisch
anspruchsvoll und praxisnah.
Als Teil des Portals all-electro
nics.de
perfekt vernetzt. Gleich abonnieren!
Jetzt anfordern:
Fax: +49 (0) 8191 125-799, Tel.: +49 (0) 8191 125-777, E-Mail: [email protected]
oder schnell über Ihr Mobiltelefon QR-Code scannen.
x
Ich abonniere elektronik industrie
(12 Ausgaben pro Jahr + Sonderausgaben).
Grundpreis: € 176,–
Firma
(zuzüglich Versandkosten Inland € 15,– und MwSt.)
Gesamtpreis Inland: € 204,81
Abteilung (mit interner Kurzbezeichn.)
Bild: Kavita/fotolia.com
Datenschutzhinweis:
Meine angegebenen Kontaktdaten werden von der Hüthig
GmbH gespeichert und genutzt. Ich kann meine Einwilligung
jederzeit unter [email protected] widerrufen.
Widerrufsbelehrung:
Ich habe zur Kenntnis genommen, dass ich berechtigt bin,
die Bestellung des Abonnements ohne Angabe von Gründen
innerhalb von vier Wochen nach Absendung dieses Auftrags
in Textform zu widerrufen. Zur Wahrung der Widerrufsfrist
genügt die rechtzeitige Absendung. Der Widerruf ist zu richten an: Leserservice Hüthig GmbH, Justus-von-Liebig-Str. 1,
D-86899 Landsberg.
Firmenanschrift (Straße, Nr.)
Firmenanschrift (PLZ, Ort)
Tel.*
E-Mail*
Datum/Unterschrift
Datum, Unterschrift
Hüthig GmbH
Im Weiher 10
D-69121 Heidelberg
Name, Vorname
Tel. +49 (0) 6221 489-232
Fax +49 (0) 6221 489-482
www.huethig.de
*freiwillige Angaben
3D-Magnetsensor
Für kleinere, genauere und robustere Designs
Unser neuer 3D-Magnetsensor wurde speziell für dreidimensionale Messungen bei möglichst geringem Stromverbrauch
konzipiert. Da er sowohl 3D- als auch Linear- und Drehbewegungen messen kann, eignet er sich ideal für eine breite
Palette an Industrie- und Consumer-Anwendungen, z. B. elektronische Messgeräte, Joysticks sowie Bedienknöpfe von
Haushaltsgeräten.
Zu den Highlights unseres TLV493D-A1B6-Sensors gehören ein kleines Gehäuse mit 6 Anschlüssen, eine berührungslose
Positionserfassung, eine hohe Temperaturstabilität und Kommunikationsgeschwindigkeit sowie die bidirektionale
Kommunikation zwischen Sensor und Mikrocontroller. Darüber hinaus ist unser neuer Sensor RoHs- und JESD47-konform
und bietet somit die höchsten Qualitäts- und Umweltstandards. Mit diesem Magnetsensor setzen wir neue Maßstäbe im
Hinblick auf die Größe, Genauigkeit und Robustheit Ihrer Designs!
www.infineon.com/3Dmagnetic

Effiziente AC/DC-Wandler mit SiC-MOSFETs

Transcription

Similar documents

Major Projekt

Eine Methode zur Entwicklung modularer Produktfamilien

Modulhandbuch

VT CIMEX ERADICATOR - M0S11386 - 1Q03

Fibel über Rauchgas

Einführung in kryptographische Verfahren

Making the difference in power management

Stand 16.06.2015

Keramik-Resonatoren entschärfen die Platzprobleme

Synchron-DC/DC-Abwärtsreglercontroller mit digitalem