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© Carl Hanser Verlag GmbH & Co.KG, München, www.hanser-automotive.de; Nicht zur Verfügung in Intranet- u.Internet-Angeboten oder elektron. Verteilern

10lA UTOMOTIVE

5-6.2010l TITEL

Plattform Konzept

für Mixed-Signal-ICs

Die Entwicklung eines komplexen Mixed-Signal-IC ist technisch aufwändig

und daher auch mit relativ hohen Entwicklungskosten verbunden. Automobilzulieferer

können jedoch auch maßgeschneiderte Schaltkreise von Halbleiterherstellern

wie ZMDI beziehen, ohne zwingend das ASIC-Geschäftsmodell

zugrundelegen zu müssen. Das hier beschriebene ASSP-Plattform-

Konzept ermöglicht den flexiblen Einstieg in eine oder mehrere Applikationen

bei geringen IC-Entwicklungskosten.

BEGRENZTES ENTWICKLUNGSRISIKO UND

GERINGERE KOSTEN MIT ASSP

Die Entwicklung eines System-on-Chip ist im Allgemeinen nur

für hochvolumige Projekte ökonomisch sinnvoll, z. B. im Automotive-Bereich

oder für Consumer-IT- und Hausgeräte. Bei

einem solchen ASIC-Projekt basiert die Zusammenarbeit zwischen

dem Kunden und dem Halbleiterhersteller auf einer text- oder modellbasierten

Spezifikation, die im Vorfeld des ASIC-Designs im Detail

abgestimmt und definiert wird. Das Zentrum Mikroelektronik Dresden

(ZMDI) greift bei ASIC-Entwicklungen auf seine „Golden-IP-Library“ mit

mehr als 100 erprobten analogen und digitalen Funktionsblöcken zurück, aus

der die benötigten Funktionen auf dem Chip nach dem Baukastenprinzip

zusammengesetzt werden.


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Bild 1: Geschäftsmodelle für eine IC-Entwicklung.

Der grundlegende Ansatz von ZMDI besteht darin, technisch

weitgehend gleichartige Applikationen mit mehreren

Leitkunden gemeinsam zu analysieren, um die Funktionalität

des zu entwickelnden ZMDI-Standard-Produktes so flexibel

und applikationsgerecht wie möglich zu spezifizieren.

Applikationsspezifisches

Standardprodukt

Gemeinsam mit Leitkunden eines solchen Projektes werden

z. B. vor dem Beginn der eigentlichen ASSP-Entwicklung

die Identifikation möglichst aller systemrelevanten

Parameter sowie die Aufteilung der erforderlichen Funktionen

auf die analoge und digitale Hardware sowie die

Software erarbeitet. Eine systemübergreifende Optimierung

ist in vielen Fällen problematisch, da das System-

Know-How der Leitkunden geschützt werden soll. Erhebliche

Systemkostensenkungen können jedoch in den Fällen

erzielt werden, bei denen die ASSP-Spezifikation in enger

Kooperation mit den Leitkunden unter Einbeziehung dieses

Kunden-Know-hows erarbeitet wurde. Seitens ZMDI wird

von den ASSP-Leitkunden eine verbindliche Aussage zu

Projekten, Mengen und Zeitraum der zu liefernden ASSPs

erwartet. Je nach dem Grad der Beteiligung an den Entwicklungskosten

kann auch eine zeitlich befristete

und/oder applikationsbezogene Exklusivität für die Nutzung

des ASSP-Produktes mit den Leitkunden vereinbart werden.

Geschaffen für Extreme

M-LOG Datenlogger & Gateway

Measurement in Motion

Die „Schaltzentrale“ für die mobile Datenerfassung – intelligent, flexibel

und individuell konfigurierbar.

• Integrierte Bus-Messeingänge: CAN, LIN, Ethernet (inkl. Protokolle)

• Messdaten erfassen, verrechnen, speichern, online ausgeben

• Messdaten alphanumerisch und grafisch visualisieren, überwachen

• Zugriff auf Messdaten und Konfiguration lokal/regional und weltweit

• Zuverlässiger Betrieb unter extremen Bedingungen

TITELl AUTOMOTIVE

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Vorteile des ASSP-Modells am Beispiel

von Drucksensor-Applikationen

Sensoren zur Druckmessung werden in immer größerer

Anzahl in Automobilen, Industrieanlagen und Hausgeräten

eingesetzt, um beispielsweise deren Energieeffizienz zu

optimieren. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an

deren Qualität, die Erwartungen an die Preisentwicklung

solcher Sensormodule kennen jedoch nur einen Gradienten

– negativer Anstieg. Allerdings rechtfertigen die Stückzahlen

einzelner Applikationen häufig noch nicht die Entwicklung

eines ASICs. Eine Möglichkeit für Drucksensor-

Hersteller diese scheinbar widersprüchlichen Anforderungen

dennoch erfüllen zu können, besteht in der Umsetzung

eines Plattform-Konzeptes für die Sensorsignalkonditionierungs-Elektronik

im Rahmen einer vollständigen Systemkosten-Betrachtung.

Diese Systemkosten beinhalten im

Wesentlichen folgende Teilkosten:

■ Verbrauchsmaterial- und Bauteilekosten

■ Rüst- und Monatgekosten

■ Abgleich- und Kalibrierkosten

■ Materiallogistik-Kosten (Lagerhaltung und Beschaffung)

■ Qualitätskosten

Bei Verwendung einer Plattform-Elektronik zur Sensorsignalkonditionierung

auf Basis eines ASSP-SoC (System on

Chip) für mehrere Drucksensor-Applikationen lassen sich

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Bild 2: Erprobte analoge und digitale Funktionsblöcke, aus der die benötigten Funktionen

auf dem Chip nach dem Baukastenprinzip zusammengesetzt werden können.

signifikante Senkungen, insbesondere der Abgleich- und

Kalibrierkosten, der Materiallogistik-Kosten und der Qualitätskosten,

erzielen. Allerdings ist die exakte Erfassung

dieser Teilkosten zu Beginn eines Produktdesigns relativ

aufwändig. Der stets vorhandene Zeitdruck bei der Umsetzung

solcher Entwicklungsprojekte führt daher häufig zu

einer nur sehr groben Abschätzung dieser Teilkosten. Die

in der Design-In-Phase zu treffende Entscheidung für eine

Sensorsignalkonditionierungsvariante beeinflusst jedoch

maßgeblich diese noch „unscharfen“ Teilkosten-Anteile

und birgt daher enormes Einsparpotenzial. Mit geeigneten

Evaluierungswerkzeugen, die ZMDI im Rahmen eines

ASSP-Projektes ohnehin zur Verfügung stellt, lassen sich

jedoch auch diese Teilkosten genauer beziffern. Zudem

können bei Verwendung eines ASSP in mehreren Projekten

über das aufsummierte, größere Volumen Kostenvorteile

erzielt werden. Alle Effekte zusammen können von

Drucksensor-Herstellern dazu genutzt werden, trotz steigenden

Funktionsumfang die Modulpreise zu senken.

Beispiel: Automotive-Drucksensoren

Im Automobil sind eine Vielzahl von Drucksensoren zu finden.

In Nutzfahrzeugen oder Baumaschinen kommen noch

Drucksensoren für diverse Hydraulik- und Druckluft-Systeme

hinzu. Diese Sensoren arbeiten im Temperaturbereich

von -40 °C... +125/+150 °C und werden entweder direkt

vom 12-V- oder 24-V-Bordnetz versorgt, oder über eine ECU

mit 5 V. Als Ausgangssignal wird bei einer 5-V-Versorgung

meist ein analoges, ratiometrisches Spannungssignal mit

Fehlern von typ. 1% FSO (Full Scale Output) verwendet.

Genau für diese 5-V-Automotive-Applikationen wurde der

ZMD31150 in enger Zusammenarbeit mit Leitkunden aus

der Automobil-Zulieferindustrie konzipiert. Sein flexibles

analoges Frontend ermöglicht die Konditionierung von

Drucksensoren verschiedenster Technologien, die je nach

Anforderungsprofil (z. B. an Medienresistenz) eingesetzt

werden. Auch Sensoren, die ein extrem ungünstiges Verhältnis

von Nullpunkt-Offset zu Nutzsignal (bis 300%) aufweisen

und normalerweise werkseitig durch Lasertrimmung

vorabgeglichen werden müssen, können konditioniert

werden. Insbesondere für sicherheitsrelevante Applikationen

wie etwa im Bremssystem, sind Diagnosefunktionen

im Sensormodul zu realisieren, beispielsweise die

Überwachung der elektrischen

Verbindungen zwischen Drucksensor

und Signalkonditionierungs-IC

oder die Erkennung

eines Leitungsbruches im 3-adrigen

Kabelbaum zum Steuergerät.

Genau solche Funktionen

sowie weitere, interne Diagnosefunktionen

sind im ZMD31150

integriert, so dass sich Sensormodule

bis SIL 2 realisieren lassen.

Eine weitere wesentliche

Forderung an Automotive-taugliche

ICs zur Sensorsignalkonditionierung

besteht darin, die erfor-

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derlichen Schutzfunktionen

gegen Kurzschluss, Verpolung und Überspannung für die

drei über den Kabelbaum mit der ECU verbundenen Sensormodul-Anschlüsse

auf dem Chip zu realisieren. Der

ZMD31150 bietet genau diese Schutzfunktionen auf einem

Level, das den Einsatz in PKWs ohne zusätzliche externe

Schutzbausteine ermöglicht. Somit bietet der ZMD31150

alle Funktionen, die eine Nutzung als Plattform-IC für Kfz-

Drucksensoren ermöglichen. Die Hersteller solcher Sensormodule

können die gleiche Kalibrierlinie mit geringen

Modifikationen für verschiedene Sensormodule nutzen

bzw. mehrere, weitgehend gleichartige und damit redundante

Kalibrierlinien aufbauen. Zudem wird die Qualitätssicherung

wesentlich vereinfacht, da immer mit dem gleichen

IC als Herzstück jedes Sensormoduls gearbeitet wird.

Die geforderte Rückverfolgbarkeit wird durch drei frei programmierbare

16-bit-EEPROM-Zellen unterstützt.

Fazit

Dieses Beispiel zeigt, dass Automobilzulieferer maßgeschneiderte

Schaltkreise für ihre Applikationen von Halbleiter-Herstellern

wie ZMDI beziehen können, ohne zwingend

das ASIC-Geschäftsmodell mit den höheren Aufwänden

und Entwicklungskosten zugrundelegen zu müssen.

Das beschriebene ASSP-Platform-Konzept ermöglicht den

flexiblen Einstieg in eine oder mehrere Applikationen bei

geringen IC-Entwicklungskosten. Wenn sich abzeichnet,

dass eine an die Applikationserfordernisse angepaßte

Funktionsoptimierung – und damit einhergehend eine

Kostenoptimierung - z. B. bei höheren Stückzahlen sinnvoll

ist, dann kann ein optimierter ASIC basierend auf dem Plattform-IC

schnell entwickelt werden. Diese Flexibilität bietet

dem Kunden den entscheidenden Vorteil, sehr viel schneller

ein ASSP in seine Applikation eindesignen zu können.

(oe)

Torsten Herz ist FAE-Manager bei der ZMD

AG und organisiert mit dem ZMD-FAE-Team

den weltweiten technischen Kunden-Support.

ZMD AG

@ www.zmdi.com


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