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Anwendungsspezifische ICs für Industrie-4.0-Applikationen

| Autor / Redakteur: Darren Hobbs * / Michael Eckstein

Statt aus etlichen diskreten Bauteilen lassen sich Internet-of-Things-Produkte auch mit anwendungsspezifischen ICs aufbauen. Doch ab wann lohnt sich das Entwickeln und Fertigen solcher Chips?

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Funktionsblöcke einer typischen Steuerplatine: Mit zunehmendem Automatisierungsgrad steigt auch die Zahl der Ein- und Ausgänge industrieller Elektroniksysteme.
Funktionsblöcke einer typischen Steuerplatine: Mit zunehmendem Automatisierungsgrad steigt auch die Zahl der Ein- und Ausgänge industrieller Elektroniksysteme.
(Bild: S3 Semiconductors)

Die Industrie wird einer der größten Abnehmer von Geräten, Systemen und Einrichtungen sein, die über das IoT angebunden sind. Zu den industriellen IoT-Anwendungen (IIoT) zählen auch HVAC (Heizung, Lüftung, Klima), das Transportwesen, intelligente Verbrauchszähler (Smart Metering). Kurzum: Eigentlich alles, was auch unter dem Begriff Maschine-zu-Maschine-(M2M-)Kommunikation zusammengefasst wird.

Das IIoT verspricht mehr Effizienz und Flexibilität in der Fertigung, im Betrieb, beim Asset-Management und im Dienstleistungsbereich sowie bei der proaktiven Instandhaltung industrieller Systeme. Sensorbasierte Elektroniksysteme werden meist auf Leiterplatten mit diskreten Bauteilen aufgebaut.

Industrielle Systeme haben immer mehr Ein- und Ausgänge

Mikrocontroller (MCUs) sorgen für die Vorverarbeitung der erfassten Informationen und stellen Peripheriefunktionen wie Datenwandler, Speicher und Prozessoren bereit. Sie bieten eine Reihe von Verbindungsoptionen wie serielle Schnittstellen, CAN (Controller Area Networking) oder Funkmodule. Neben den MCUs benötigen die Systeme meist noch viele externe Komponenten.

Mit dem Automatisierungsgrad steigt auch die Zahl der Ein- und Ausgänge industrieller Systeme, zum Beispiel von Schaltern, Tastaturen, Touchpads, Encodern, Scannern und Sensoren. Die Sensoren können Druck, Temperatur, Feuchtigkeit, Luftqualität, Beschleunigung oder eine Vielzahl anderer Umgebungsbedingungen messen. Zu den Ausgängen zählen Treiber für Displays, Heizungen, Motoren, Aktoren oder Schalter. Zwischen Eingang und Ausgang befinden sich oft Signalaufbereitungsschaltungen.

Standard-ICs sind meist ein Kompromiss

Selbst eine simple Steuerplatine kann Hunderte von Komponenten enthalten. Alle müssen spezifiziert, gekauft und auf Lager gehalten werden, bevor die Montage auf der Leiterplatte erfolgt. Oft sind viele Bauteile erforderlich, da kein passendes IC zur Verfügung steht, das die benötigten Funktionen beherrscht. Standardkomponenten sollen möglichst vielfältig einsetzbar sein. Das bedeutet: Sie sind ein Kompromiss. IIoT-Applikationen unterscheiden sich jedoch stark. Jede hat eigene Anforderungen an die Hard- und Software. Wenn Produkte langfristig lieferbar sein sollen – was im industriellen Bereich die Regel ist –, können Standard-ICs zum Risiko werden. Viele werden primär für den Einsatz in Consumer-Produkten entwickelt, die nur kurze Lebenszyklen haben. Die Verfügbarkeit der Chips muss daher nicht lang sein.

Überblick: Der Online-Rechner von S3 Semiconductors zeigt, ob die Integration einer Platine in ein kundenspezifisches IC eine wirtschaftliche Option für eine geplante Anwendung darstellt.
Überblick: Der Online-Rechner von S3 Semiconductors zeigt, ob die Integration einer Platine in ein kundenspezifisches IC eine wirtschaftliche Option für eine geplante Anwendung darstellt.
(Bild: S3 Semiconductors)

Für industrielle Projekte ist es daher oft sinnvoll, anwendungsspezifische ICs zu entwickeln. Diese machen genau das, was sie sollen. Und sie kommen mit einer minimalen externen Beschaltung aus. Systeme lassen sich damit kleiner und leichter aufbauen. Und auch so, dass sie weniger Strom verbrauchen und einfacher zu testen sind. Sie schützen die Design-IP besser – schließlich ist es schwieriger, Reverse-Engineering eines ICs anstelle einer Platine vorzunehmen.

Die Analyse des Sparpotenzials sollte nicht bei der Stückliste enden. Auch die Kosten für Beschaffung, Lagerung beziehungsweise Vorhalten der Bauteile, die Leiterplatten-Montage und die Testkosten zählen dazu. Möglicherweise ist auch der geringere Stromverbrauch eines kundenspezifischen ICs von Bedeutung. Je nach Anwendung ist eine Kostenreduktion von bis zu 80 Prozent über die Laufzeit eines Projektes möglich, und die Amortisationszeiten können bis zu einem Jahr betragen – was primär von der Systemkomplexität und der gefertigten Menge abhängt. Viele Firmen fürchten jedoch hohe Kosten und Komplexität für das Design anwendungsspezifischer ICs. Hier lohnt es sich, genauer hinzuschauen.

Anwendungsspezifische ICs bieten oft Vorteile

Mixed-Signal-ICs müssen in der Regel nicht mit der neuesten Sub-Micron-Prozesstechnologie gefertigt werden. Im Gegenteil: Industrielle Schaltungen arbeiten zum Teil mit hohen Spannungen – größere Strukturen auf dem Die sind hier von Vorteil. Hinzu kommt, dass die Maschinen bereits abgeschrieben sind, die Produktion daher verhältnismäßig günstig erfolgen kann. Die Kostenanalyse sollte die Gesamtkosten über die Lebensdauer eines Produktes betrachten. Wichtige Kriterien dabei sind:

  • Anzahl der Systeme, die jährlich hergestellt werden.
  • Erwartete Lebensdauer des Produkts: Wie lange wird es gefertigt? Gibt es Varianten, die auf dem gleichen Chip basieren?
  • Anzahl diskreter Datenwandler auf der Platine – zusätzlich zu denen, die bereits in MCUs integriert sind.
  • Zahl der anderen analogen Komponenten auf der Platine – Transistoren, Dioden, Operationsverstärker, Regler, Referenzen.
  • Präsenz eines Prozessors auf dem Board.
  • Prozessorleistung: Zum Beispiel könnte auf einer Skala von 1-4 eine einfache 8-Bit-MCU eine „1“ sein und ein ARM 64-Bit-Multicore-IC eine „4“.
  • Speicher: Wie viel RAM und Flash benötigt die Schaltung, sowohl On-Chip auf den MCUs als auch diskret?
  • Wird eine Funkanbindung benötigt? Eine Unterscheidung zwischen Bluetooth, Wi-Fi oder einer anderen Technologie ist für eine erste Schätzung nicht erforderlich.

S3 Semiconductors bietet einen kostenlosen Online-Rechner an, der die Kalkulation erleichtert. Es dauert weniger als eine Minute, die erforderlichen Daten einzugeben. Die Ergebnisse zeigen die Gesamtstückzahl, die erforderlich ist, um eine Kostendeckung zu erzielen – inklusive des Zeitraums und der Kostenreduktion über die Produktlebensdauer in US-Dollar. Eine Grafik zeigt, wann die Kostendeckung bei der Investition in ein kundenspezifisches IC eintritt.

* Darren Hobbs ist Director of Marketing and Strategy bei S3 Semiconductors

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