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Die vier wichtigsten Aspekte des magischen Quadrats sind Energieverbrauch, Größe/Gewicht, Preis und Zuverlässigkeit.

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Die Zukunft der Mikroelektronik Das Magische Quadrat des IoT verstehen

11.11.2021

Aktuell befinden sich über 45 Milliarden von IoT-Geräten im Markt. Zudem zeigen Studien, dass der Markt weiter mit zweistelligen Wachstumsraten wächst. 5G mit Release 17 wird einer der wichtigsten Treiber hierfür sein. Eine leistungsstarke Messtechnik kann dabei die Entwicklung von neuen Systemen beschleunigen und Designfehler im Vorfeld vermeiden.

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Das starke IoT-Wachstum führt zu einer entsprechenden Zunahme des mobilen Datenverkehrs und erhöht die Datenlast in jedem Rechenzentrum erheblich. Ein Ansatz zur Verringerung des transferierten Datenvolumens ist die Dezentralisierung. Hierbei werden die IoT-Geräte am „Edge“ mit mehr Rechenleistung ausgestattet. Mittels KI können Datenerfassung, -verarbeitung und einfache Entscheidungen ohne Latenz erledigt werden. Es müssen hierbei nur Status-, Störungs- oder Fehlermeldungen übertragen werden.

Denkbare Anwendungen finden sich im Bereich Gebäudeautomatisierung, im Smart Home oder bei einfachen Überwachungs-/Regelungsvorgängen in der Fertigung. Der Dezentralisierungsansatz ist aber nicht bei allen Anwendungen realisierbar beziehungsweise sinnvoll. Denkt man an Wearables zur Patientenüberwachung oder im Consumermarkt ist das Erfassen und Übertragen der Daten die wichtigste Aufgabe, da es kaum Regelungsbedarf gibt.

Unabhängig von der Anwendung sind die Anforderungen bei alle Arten von IoT-Geräten die gleichen. Die vier wichtigsten Anforderungen sind Energieverbrauch, Größe/Gewicht, Preis und Zuverlässigkeit. Natürlich hat mal die eine Anforderung Priorität und mal eine andere, aber generell bilden diese vier, die Eckpunkte des magischen Quadrats. Als Vergleich kann ein Tischtuch verwendet werden. Zieht man an einer Ecke, bewegen sich die anderen ebenfalls. Magisch ist es deshalb, da es Magie wäre, alle vier Anforderungen gleichzeitig bestmöglich zu erfüllen. Die Aufgabe des IoT-Entwicklers besteht darin, diese Zusammenhänge zu verstehen und den besten Kompromiss für die Zielanwendung zu finden.

Funktionsblöcke eines IoT-Devices

Ein IoT-Device besteht typischerweise aus mehreren Funktionsblöcken. Der Analogteil nimmt Sensorsignale auf, passt die Signalpegel an und digitalisiert diese Daten, um diese für den µ-Controller verständlich zu machen. Der analoge Teil kann auch in die entgegengesetzte Richtung arbeiten und digitale „Anweisungen“ vom Controller in analoge Steuersignale für angeschlossene Aktoren umwandeln. Wie schon angedeutet, ist der Digitalteil für die Verarbeitung der Daten zuständig.

Dieser Teil kann aber auch direkt Daten von externen Sensoren mit serieller Buskommunikation aufnehmen. Daten, welche per Funk versendet werden sollen, werden aus dem Digitalteil in den Hochfrequenzblock übertragen, dort moduliert und über eine meist integrierte Antenne versendet.

Der letzte noch fehlende Teil ist die Spannungsversorgung. Auch wenn zuletzt genannt, ist dieser Bereich ein sehr wichtiges Element, da ohne eine saubere und passende Stromversorgung weder das analoge noch das digitale oder das HF-Modul funktioniert. Der Energieverbrauch ist auch stark von der Effizienz des Spannungsversorgungsblocks abhängig. Soweit zu den Zusammenhängen innerhalb des IoT-Moduls.

Abhängigkeiten ermitteln

Im Folgenden werden die gegenseitigen Abhängigkeiten der Anforderungen dargestellt. Diese können in zwei Arten unterteilt werden. Zum einen, die Zusammenhänge, die aus dem Hardware-Design und der verwendeten Technologie sich ableiten und zum anderen diese, die eine fehlerhafte Schaltungsentwicklung von einem Block auf einen anderen Funktionsblock überträgt und sich erst dort auswirkt. Als Beispiel soll die Aufgabe dienen: Verringerung der Größe des IoT-Designs. Welche Möglichkeiten stehen hier zur Verfügung?

Die erste Idee: kleinere Komponenten. Bis zu einem gewissen Punkt eine gute Möglichkeit, aber es gibt Einschränkungen. Zum einen sind nicht alle Komponenten in kleineren Abmaßen mit gleichen Parametern verfügbar. Beispiele sind Spulen oder Glättungskondensatoren im Bereich der DC/DC Wandler. Zum anderen beeinflusst die Änderung zwei andere Ecken des Quadrats: der Preis und auch die Zuverlässigkeit. Kleinere Komponenten sind höher im Preis und kleiner Abstände zwischen Leitungen und Komponenten erhöhen das Risiko von Übersprechen oder Schwierigkeiten in der Fertigung.

Optimierungen einbeziehen

Eine weitere Möglichkeit ist etwa die Erhöhung der Schaltfrequenz der Spannungswandler. Der flächenmäßige Anteil der Versorgung ist meist relativ hoch, dadurch bringen Änderungen hier oft schon die gewünschte Größenreduktion. Durch die Erhöhung der Schaltfrequenz können Spulen und Kapazitäten kleiner ausgelegt werden. Verwendet man statt siliziumbasierte Halbleiterschalter, Galliumnitrid (GaN) Komponenten mit geringeren Verlusten, steigert man auch noch die Effizienz und verringert den Energieverbrauch. Weniger Verluste bedeutet weniger Wärmeentwicklung, dadurch können kleinere Kühlkörper eingeplant werden.

Diese Lösung ermöglicht, dass das Modul kleiner, leichter und auch effizienter werden kann. Im Gegenzug entstehen wieder höhere Kosten durch teurere Komponenten. Eine Herausforderung bei der Erhöhung der Schaltfrequenz und bei steileren Flanken wie bei GaN-Elementen üblich ist, ist die EMV-Kompatibilität und auch die Zuverlässigkeit. Nur die Änderung der Flankensteilheit bewirkt bereits, dass mehr Energie in höheren Frequenzbereichen auftritt. Eine Erhöhung der Frequenz verschiebt diesen Effekt noch weiter nach rechts. Um Kompatibilität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, muss dieser Aspekt bereits im Design besonders berücksichtigt werden. Frühzeitige Messungen mit einem Spektrum Analysator können dabei helfen.

Einflussfaktoren messen

Übersprechen von HF-Signalen in andere Funktionsblöcke, sei es durch EMV aus dem oben beschriebenen Effekt oder aus dem HF-Sektor des Gerätes, ist ebenfalls problematisch zu sehen und kann unter Umständen zu Funktionsausfällen führen. Falls dies auf Grund von Kosteneinsparungen oder zu enger Leitungsführung aus Platzmangel geschieht, schlägt wieder die erste Abhängigkeit zu. Probleme, welche aus einer nicht optimalen Schaltungsentwicklung entstehen, können meist behoben werden. Sie müssen allerdings bekannt sein oder gefunden werden. Ein Beispiel hierfür ist der Einfluss von zu großen Restwelligkeiten auf der Spannungsversorgung des HF-Ausgangsverstärkers.

Welche Auswirkung kann ein relativ niederfrequenter Ripple auf ein 2,4 GHz HF Signal haben? Betrachtet man das Spektrum des „unsauberen“ mit einem Sägezahn-Ripple belegten DC-Signals, sieht man, dass gerade und ungerade Harmonische der Grundschwingung vorhanden sind. In Kombination mit der Tatsache, dass beim Verstärkern diese Schwankung der Spannungsversorgung auf die Verstärkung übertragen werden, entsteht am Ausgang des HF-Elements ein moduliertes Signal. Die Seitenbänder des Sendesignals zeigen erhöhte Leistungen, so dass gegebenenfalls die Nachbarkanäle gestört werden.

Fazit

Die gewählten Bespiele zeigen die Auswirkungen der Abhängigkeiten und belegen die Wichtigkeit der bereichsübergreifenden Entwicklung. Der Entwickler benötigt neben dem Systemverständnis auch Kenntnisse in den verschiedenen Domänen (Analog/Digital/HF). Multifunktionale Messtechnik bietet bei der Korrelation von Signalen und bei der Fehlersuche eine große Unterstützung.

Siglent Oszilloskope inkludieren Analog- und Digitalsignalerfassung und Analyse. Ferner kann das Gerät mit einem Signalgenerator erweitert werden. Die leistungsstarke FFT ermöglicht den Blick ins Spektrum. Mit der Bode Plot Funktion können DC/DC Wandler optimiert werden. Ergänzend eigenen sich die Siglent Spektrum Analysatoren sehr gut für entwicklungsbegleitende EMV-Messungen. Leistungsstarke und flexible Messtechnik kombiniert mit dem Know-how des Entwicklers führen zum optimalen Ergebnis innerhalb des magischen Quadrats.

Bildergalerie

  • Eckpunkte des magischen Quadrats: Die vier wichtigsten Anforderungen sind Energieverbrauch, Größe/Gewicht, Preis und Zuverlässigkeit.

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  • Die Änderung der Flankensteilheit bewirkt, dass mehr Energie in höheren Frequenzbereichen auftritt. Eine Erhöhung der Frequenz verschiebt diesen Effekt noch weiter nach rechts.

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  • Beim Verstärkern werden die Schwankung der Spannungsversorgung auf die Verstärkung übertragen und es entsteht am Ausgang des HF-Elements ein moduliertes Signal.

    Bild: Siglent

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