Das CB71C-Modul ist mit dem AMD-Ryzen-Embedded-Prozessor ausgestattet und das derzeit leistungsfähigste Rugged-COM-Express-Design.

Bild: MEN Mikro Elektronik

Rugged COM Express Standard für raue Umgebungen

22.10.2018

Will man neueste Prozessortechnologie unter höchsten Robustheitsanforderungen einsetzen, sind modulare Designs auf Basis des Rugged-COM-Express-Standards der VITA die erste Wahl.

Für die Rechenleistung und den Einsatzbereich jedes Embedded-Elektronik-Designs gibt es stark limitierende Faktoren, wie zum Beispiel die maximal zulässige Verlustleistung. Neue CPU-Serien, wie die AMD Ryzen Embedded-V1000-Serie oder die 8te Generation der Intel Core-Prozessoren, weisen eine TDP (Thermal Design Power) zwischen 12 und 56 Watt auf. Will man ihr volles Potenzial auf einem COM-Express-Modul ausschöpfen, liegt man oberhalb einer kritischen TDP-Grenze. Konventionelle COM-Express-Designs lassen sich dann nur mit aktiven Kühlkonzepten realisieren.

In den Köpfen vieler Entwickler hat sich deshalb festgesetzt, dass lüfterlose Designs maximal bis 25 Watt möglich sind. Die Embedded-Märkte benötigen jedoch auch oberhalb dieser Grenze robuste Systeme, die sich lüfterlos betreiben lassen. Rugged COM Express wurde für diese Anforderungen entwickelt und bietet zusätzlich zur besseren Wärmeabfuhr zahlreiche Vorteile für den Betrieb im rauen Umfeld.
Die Vorteile der COMs:

  • COMs (Computer-on-Modules) kombinieren die schnelle Verfügbarkeit von CPU-Modulen (COTS-Produkte) mit der Flexibilität komplett kundenspezifischer Designs.

  • Durch Zukauf der komplexen Teile der Schaltungstechnik (CPU, Speicher, Core-Spannungsregler) entstehen rund
    50 Prozent geringere Entwicklungskosten.

  • Sie bieten einfache Retrofit- und Skalierungsoptionen durch Austausch des COMs, selbst über Prozessorarchitektur- und Herstellergrenzen hinweg.

  • Sicherheitskritische Anwendungen mit langen Produktentwicklungs- und Lebenszyklen sowie hohen Zertifizierungsanforderungen profitieren von einfacher Aufrüstbarkeit mit neuen standardisierten Modulen.

  • Bei Tausch der Rechnereinheit eines zertifizierten End-Systems beschränkt sich bei modularen Systemen eine Requalifizierung weitgehend auf den Systemteil, der im Zusammenhang mit dem neuen Modul steht.

Etablierter Standard

Der Standard unter den Computer-on-Modules ist COM Express. Spezifiziert von der PCI Industrial Computer Manufacturers Group, kurz PICMG, ist er heute aus der Embedded-Welt nicht mehr wegzudenken – von Low-Power-Designs im Mini-Format auf Basis von Single-/Dual- oder Quadcore ARM oder Intel Atom CPUs bis hin zu High-Performance-Rechnern im Basic-Format basierend auf Server-CPUs mit 16 und mehr Kernen.

Durch die große Anzahl an Herstellern von COMs, Carrierboards und Entwicklungskits verfügt COM Express über das umfangreichste Ökosystem in der Computer-on-Modules-Welt. Die große Verbreitung gewährleistet ein ausgewogenes Preis-/Leistungs-Verhältnis der Produkte und Dienstleistungen und stellt zusätzlich die Langzeitverfügbarkeit des Standards sicher, da er von vielen Unternehmen getragen wird.

Wenn es robust sein muss

Einige Anwendungsbereiche stellen besonders hohe Anforderungen an die Robustheit des Rechensystems. Schädliche Einflüsse, wie mechanischer Schock, starke Vibration, schnelle Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit oder elektromagnetische Störstrahlung werden in der COM-Express-Spezifikation nicht berücksichtigt, deshalb wurde sie um die Rugged-COM-Express-Spezifikation (VITA 59) erweitert. Auf Basis von VITA 59 lassen sich High-Performance Rugged-COM-Express-Module realisieren, die mit einer TDP von 55 Watt noch komplett lüfterlos betrieben werden können.

Erweiterung der Leiterplatte

Basierend auf dem COM-Express-Standard bieten RCE-Module alles, was auch COM-Express-Module bieten. Die VITA 59-Spezifikation erweitert die Leiterplatte der Module um zusätzliche Seitenflügel zur Einbettung in einen standardisierten Aluminiumrahmen (CCA), der für eine optimale thermische Anbindung sorgt. Dieser genau spezifizierte Rahmen gewährleistet die Entwärmung der Hot-Spots (CPU, Speicher und Spannungswandler).

Zusätzlich erfolgt die Ableitung der Verlustleistung über die Platine (PCB) nach außen an den Rahmen. Von dort aus kann die Abwärme über Konduktion direkt an das umgebende Gehäuse und anschließend über Kühlrippen per Konvektion an die Umgebung abgeführt werden. Diese Maßnahmen verringern den thermischen Widerstand der Baugruppe zum Gehäuse. Damit lässt sich die Temperaturüberhöhung der elektronischen Bauteile im Vergleich zum Standard-COM-Express-Kühlkörper um bis zu 5°C senken.

Die geringere thermische Belastung der Bauteile führt zu weniger Fehlern und weniger Wartungseinsätzen, verbessert also die Zuverlässigkeit der RCE-Module gegenüber klassischen COM-Express-Designs. Da das gesamte Konzept von der VITA standardisiert wurde, bleiben die Herstellerunabhängigkeit und Zukunftssicherheit auch bei RCE vollständig erhalten und ein Wechsel des Moduls zusammen mit seinem standardisierten Aluminiumrahmen ist jederzeit möglich.

Kühler und besser geschützt

Auch in anderer Hinsicht können RCE-Module mehr vertragen. Durch das Aluminiumgehäuse sind sie gut abgeschirmt und besitzen eine hohe Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischer Umgebungsstrahlung. Die Module sind standardmäßig mit einem Schutzlack versehen. Dieses Conformal Coating bietet einen wirksamen Schutz gegen Umwelteinflüsse wie Staub, Feuchtigkeit oder auch Chemikalien. Der VITA 59-Standard hat seinen Ursprung im Bahnbereich, womit auch das Kühlkonzept perfekt zu den Anforderungen der EN 50155 passt.

Eine der größten Herausforderungen besteht darin, die kurzfristigen hohen Temperaturschwankungen oder thermische Schocks zu verkraften, die entstehen, wenn ein Zug bei feuchtwarmem Klima in einen kühlen Tunnel einfährt und die Temperatur der Kühlluft sich schlagartig um bis zu 20°C ändert.

Die resultierenden thermischen Spannungen führen auf herkömmlichen COMs mittelfristig zu Ausfällen durch gerissene Lötverbindungen. Deshalb werden kritische Bauteile durch sogenanntes „Underfilling“ mit der Leiterplatte verklebt und erhöhen die Robustheit gegenüber schnellen Temperaturänderungen. Zusätzlich sorgt die feste Verschraubung des Rahmens auf dem Trägerboard für eine hohe mechanische Schock- und Vibrationsfestigkeit. Reale Größen sind Belastungen von bis zu 5G für Vibration und sogar bis zu 50G bei Stößen, wodurch sich die Module sogar für den Einsatz in Offroad-Fahrzeugen eignen.

Vielfältige Einsatzgebiete

All diese Eigenschaften machen Rugged COM Express zu einem Standard für ausfallsichere Hochleistungsrechner bei widrigen Umgebungsbedingungen. Bedingungen wie man sie in Windparks und elektrischen Verteilerstationen vorfindet oder beim Einsatz in Straßen-, Nutz- und Schienenfahrzeugen.

Mit Rugged-COM-Express-Modulen profitieren Hersteller von Medizingeräten von der hohen Rechenleistung in komplett geschlossenen Designs, welche hygienisch und leicht zu desinfizieren sind. Dies sind ähnliche Anforderungen, wie auch in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie, denn lüfterlose Systeme lassen sich bei Bedarf sogar mit dem Hochdruckreiniger reinigen.

Bildergalerie

  • Von Rugged COM Express zu Standard COM Express: Werden die Flügel an den vier Außenkanten weggelassen, weisen beide Standards denselben Formfaktor auf. MEN bietet beide Varianten an.

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  • Der mechanische Aufbau von VITA 59-konformen Rugged-COM-Express-Modulen ist deutlich widerstandsfähiger als klassische COM-Express-Kühllösungen, was viele Vorteile bietet – von erhöhter Stressfestigkeit bis hin zu höheren TDP-Spielräumen bei lediglich passiver Kühlung

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