Die Entscheidung basiert oft ausschließlich auf den Hardwarekosten, wobei viele der übrigen Faktoren außer Acht gelassen werden.
Ein Standard-Leistungsmodul ist ein komponentenartiges, in Serie gefertigtes Gerät, das zu 100 % geprüft wird und dessen Spezifikationen im Datenblatt garantiert erfüllt sind. Eine diskrete Leistungsschaltung besteht aus vielen Bauteilen, die zusammen mit der Hauptsystemelektronik auf einer Leiterplatte montiert sind. Nach der Montage und Fertigstellung der Leiterplatte werden keine weiteren Tests durchgeführt.
Eine neuere Ergänzung des Angebots an Leistungsmodulen auf dem Markt ist das PIM (Power Interface Module). Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für ein PIM.
Ein PIM (Property Integrated Module) umfasst typischerweise Eingangsfilterung und Überspannungsunterdrückung, Einschaltstromschutz, Hot-Swap-Funktionalität, Unterspannungsschutz und -abschaltung, redundante Stromversorgung, Überwachung, Alarme und PMBus- oder I²C-basiertes Energiemanagement. Das erste verfügbare PIM wurde für offene Plattformen auf Basis des ATCA-Standards (Advanced Telecommunications Computing Architecture) entwickelt, um die Markteinführungszeit zu verkürzen und wertvollen Platinenplatz zu sparen. Konzept und Funktionalität des PIM eignen sich jedoch hervorragend für die meisten Platinen in IKT-Geräten (Informations- und Kommunikationstechnologie). Aktuell wird diese Funktionalität häufig durch diskrete Lösungen realisiert, dies könnte sich jedoch ändern, sobald sich proprietäre Plattformen zu flexibleren, standardbasierten offenen Plattformen weiterentwickeln.
Für Motherboards gibt es eine Vielzahl von Stromversorgungsschnittstellen. Einige sind sehr einfach und bestehen lediglich aus einer Sicherung und EMV-Filterung. Andere sind komplexer und beinhalten Einschaltstromschutz, Hot-Swap-Funktionalität, Unterspannungsschutz und Abschaltung, duale Stromversorgung, Überwachung, Alarme und Energiemanagement.
Die mit diskreten Bauelementen auf der Leiterplatte realisierte Stromversorgungsschnittstelle ist typischerweise eine proprietäre Lösung, die an die unterschiedlichen Architekturen verteilter Stromversorgungssysteme der IKT-Gerätehersteller angepasst ist. Es wurden zwar Standardisierungsinitiativen wie ATCA ins Leben gerufen, proprietäre Lösungen sind jedoch nach wie vor am weitesten verbreitet.
Die Verwendung eines PIM anstelle einer Lösung auf Basis diskreter Schaltungen bietet erhebliche Vorteile, wie z. B. reduzierte Entwicklungszeit und -kosten, niedrigere Anschaffungs- und Beschaffungskosten, schnellere Markteinführung und geringerer Platzbedarf auf der Platine für die Stromversorgungsschnittstellenfunktionalität.
Kosten für Schaltungs- und Systemdesign:
Diese Kosten beziehen sich ausschließlich auf die diskrete Leistungsschnittstellenschaltung; Anwender von Standard-Leistungsmodulen müssen die interne Schaltung nicht selbst entwickeln. Die Kosten für das Schaltungsdesign umfassen Folgendes:
- Schaltungsdesign und -layout
- Bestimmung der Bauteilwerte
- Angabe von Bauteilnummern und Alternativen
- Aufbau und Test von Prototypen, einschließlich thermischer und EMV-Aspekte
- Anpassung der Schaltungen nach Bedarf
- Dokumentation
Zeitaufwand und Kosten variieren je nach Verfügbarkeit eines Basisdesigns oder der Notwendigkeit eines komplett neuen Designs. Der Entwicklungsaufwand und die Hardwarekosten hängen von der Anzahl der Komponenten und der Komplexität der diskreten Leistungsschnittstellenschaltung ab. Das Ergebnis hängt auch von den Fähigkeiten des Elektroentwicklers ab. Tatsächlich ist ein erfahrener Leistungselektroniker erforderlich, um eine robuste und kosteneffiziente Leistungsschnittstellenschaltung zu entwickeln.
Sowohl für die diskrete Leistungsschnittstellenschaltung als auch für die Standard-PIM-Lösung fallen jedoch Kosten für die Leistungssystementwicklung an. Diese Kosten umfassen die notwendigen Ressourcen und Ausgaben für die Entwicklung von:
- Gleichstromverteilung und Entkopplung
- Thermische Analyse und Kühlung
- Sicherheit und Sicherungen
- Steuerung und Diagnose
Die Konstruktion des Zuführungssystems wird bei Verwendung der Standard-PIM-Option wesentlich einfacher und schneller sein, da diese wesentlich fortschrittlichere Funktionen beinhaltet und mehr Literatur dazu verfügbar ist.
Beschaffungs- und Anschaffungskosten:
Dies sind die Ressourcen und direkten Kosten für den Kauf der für eine Lösung benötigten Komponenten, einschließlich Lieferantenauswahl und -genehmigung, Preisverhandlung, Qualitätssicherung, Lagerhaltung usw. Für die Standard-PIM-Option ist in der Regel nur eine Komponente verfügbar: das Stromschnittstellenmodul. Darüber hinaus hängen in diesem Fall die Arbeitsstunden und direkten Kosten von der Anzahl der Komponenten und der Komplexität der diskreten Schaltung der Stromschnittstelle ab.
Diskrete Leistungskomponenten sind, wie alle anderen Leistungskomponenten auch, in der Regel nicht Teil der Stückliste der Systemfunktionalitätselektronik der Systemplatinenhersteller. Daher sind ein gewisses Maß an Wissen und Ingenieure erforderlich, um die Komponenten und Lösungen in jeder Anwendung zu bewerten, zu schulen und zu zertifizieren.
Die Markteinführungszeit
ist ein äußerst wichtiger Aspekt, der mit dem technischen Risiko und der Tatsache zusammenhängt, dass der ursprüngliche Entwurf nicht immer endgültig ist. Manchmal sind technische Änderungen und Überarbeitungen erforderlich, wenn die Lösung nicht wie erwartet funktioniert. Neue Mikroprozessoren und ASICs werden oft parallel zum Platinen-Design entwickelt, wobei Unsicherheiten hinsichtlich der endgültigen Anforderungen an die Stromversorgungsschaltung und der Gesamtversorgungsspannung des Systems bestehen. Da der Fokus auf der Leistung und Funktionalität der primären Anwendungselektronik liegen muss, kann das endgültige Stromversorgungsdesign der Platine erst dann als abgeschlossen gelten, wenn die Hauptsystemschaltung getestet und verifiziert wurde. Dies birgt das Risiko, dass die Stromversorgungs- und Schnittstellenschaltung der Platine erst viel später im Projekt überarbeitet werden muss, was die Entwicklungskosten und -zeiten erhöht und wiederum zu unvorhergesehenen Verzögerungen bei der Markteinführung und Auslieferung der neuen Systemplatine führt. Natürlich besteht ein größeres Risiko erheblicher Verzögerungen bei der Verwendung einer diskreten Stromversorgungsschnittstellenlösung, da der Entwurf weniger gut definiert oder getestet ist und von verschiedenen Komponenten und Zulieferern abhängt. Die Verwendung einer Standard-PIM-Lösung kann das Stromversorgungssystem schneller in Betrieb nehmen und potenziell den Umsatz steigern.
Die Kosten der Markteinführungszeit entstehen durch Umsatz- und Gewinnverluste aufgrund sinkender Produktverkäufe in der Anfangsphase, wenn sich die Produkteinführung aufgrund der Entwicklung einer Lebensmittellösung verzögert. Dies bedeutet nicht nur einen Rückgang der verkauften Produkte, sondern auch, dass die Position als einer der Ersten oder gar als allererster Marktteilnehmer einen erheblichen Anteil am Gesamtumsatz und -gewinn ausmachen kann, da der Wettbewerb geringer und der Marktpreis daher deutlich höher ist. Die Kosten der Markteinführungszeit können im Vergleich zu anderen Kostenfaktoren beträchtlich sein. Angesichts der heutzutage kurzen Produktlebenszyklen kann dies durchaus der entscheidende Faktor für die Erzielung von Rentabilität sein.
Kosten der Leiterplatte
Die Kosten der von der PIM- oder der diskreten Leistungsschnittstellenschaltung auf der Leiterplatte belegten Fläche setzen sich wie folgt zusammen:
- Kosten des Platinenmaterials selbst
- Wert der Platinenoberfläche für den Systementwickler
Der Wert für den Systemplatinenentwickler kann erheblich variieren. Bei Systemen mit geringerer Packungsdichte können diese Kosten relativ niedrig sein. Bei Systemen mit hoher Packungsdichte und eng beieinander liegenden Bauteilen möchte der Systementwickler möglicherweise die von Stromversorgungs- und Schnittstellenfunktionen belegte Fläche minimieren, um Platz für andere Systemanwendungen zu schaffen. In diesem Fall können der Systemplatinenentwickler und der Systemhersteller dieser Komponente einen höheren Wert beimessen, was zu höheren Kosten bei Stromversorgungslösungen mit geringerer Packungsdichte führt.
In der Praxis hat sich dies zu einer der größten Herausforderungen für Hersteller und Zulieferer von IKT-Systemen entwickelt. Der verfügbare Platz ist überall extrem begrenzt und mit hohen Kosten verbunden. Anwendungen im Innen- und Außenbereich erfordern eine möglichst geringe Stellfläche und minimale Geräteabmessungen. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass moderne Hochgeschwindigkeitselektronik sehr kurze Wege benötigt, um Verzerrungen durch Anschlussinduktivität und Platinenkapazität zu minimieren. Daher muss ein gewisser Funktionsumfang direkt auf der Platine integriert werden.
Leiterplatten werden in standardisierten Größen gefertigt, und Geräteschränke und Regale sind auf bestimmte Platinengrößen ausgelegt. Daher ist es nicht möglich, die Platinengröße in einem System oder Gerät zu vergrößern; die einzige Lösung besteht darin, die Größe und Anzahl der Komponenten auf der Platine zu minimieren. Dies trägt zu einer höheren Integration und kleineren Gehäusegrößen bei, gleichzeitig erfordert der Bedarf an mehr Funktionalität jedoch eine höhere Anzahl von Pins pro Mikroprozessor oder ASIC. Das Ergebnis ist eine sehr teure Platine, nicht nur aufgrund der kostspieligen Systemelektronik, sondern auch aufgrund der extrem hohen Anzahl an Lagen, die zur Realisierung der Funktionalität erforderlich sind. Bei modernen ICT-Platinen sind bis zu 30-40 Lagen keine Seltenheit.
Das alles bedeutet, dass der Platz auf der Platine in modernen ICT-Geräten sehr teuer ist und alles, was nicht Teil der für die notwendige Funktionalität erforderlichen Hauptsystemelektronik ist, hinsichtlich des Platzbedarfs auf der Platine auf ein absolutes Minimum beschränkt werden muss.
Anwendungsbeispiele
Das erste Beispiel ist eine Platine mit herkömmlicher Stromversorgungsschnittstellenschaltung (siehe Abbildung 2).
Die Stromversorgungsschnittstelle wurde vor langer Zeit entwickelt und wird seit vielen Jahren auf verschiedenen Platinen eingesetzt, da sie funktioniert und es keine spezialisierten Entwickler für Verbesserungen gibt. Die Komponenten sind veraltet und teuer, und die Schaltung beansprucht einen relativ großen Teil der Platine. Zudem steigt der Bedarf an Systemverfügbarkeit und Hot-Swapping, weshalb die Stromversorgungsschnittstelle überarbeitet werden muss, um Alarm- und Energiemanagementfunktionen zu integrieren. Ein PIM (Power Interface Module) löst all diese Probleme kostengünstiger und mit deutlich reduziertem Platinenplatzbedarf.
Das zweite Beispiel (siehe Abbildung 3) veranschaulicht, wie viel Platz auf der Platine eingespart werden kann, wenn das neue Mikro-PIM-Modul PIM4006 im 1/16-Brick-Format verwendet wird (siehe Abbildung 4), das neben herkömmlichen Eingangsschaltungen auch eine I2C-Schnittstelle umfasst.
Dieses Modul wurde entwickelt, um höchste Anforderungen an Systemverfügbarkeit und Robustheit zu erfüllen. Es verfügt zudem über eine digitale Kommunikationsschnittstelle, mit der Systemarchitekten den Anwendungsstatus per Software überwachen können. Durch den Einsatz modernster Technologie zur Erhöhung der Filterleistung konnte der Platzbedarf auf der Platine (beidseitig) deutlich reduziert werden. Dieser Platz kann für eine höhere Systemverarbeitungskapazität, ein vereinfachtes Energiemanagement und eine schnellere Markteinführung genutzt werden.
In diesem Fall kann ein PIM wertvollen Platinenplatz und Kosten sparen. Dies wird durch ein optimiertes Design von spezialisierten und erfahrenen Leistungselektronikern ermöglicht. Der PIM verwendet Komponenten mit kleineren Gehäusen und fortschrittlichen Lösungen, wodurch die Materialkosten reduziert werden. Energiemanagement und interne Kommunikation ermöglichen eine Verkürzung der benötigten Speicherdauer und minimieren so die Kapazität. Das Ergebnis ist ein PIM, der maximal ein Drittel der Fläche eines diskreten Designs benötigt.
Die Standardisierung verteilter Stromversorgung für IKT-Geräte wird aufgrund ihrer geringeren Kosten weiterhin den Bedarf von Telekommunikations- und Datenkommunikationsbetreibern als alternative Stromversorgungsoption decken.
Die in Entwicklung befindlichen neuen PIMs sind an unterschiedliche Standards und Leistungspegel verteilter Stromversorgungen sowie an proprietäre Lösungen anpassbar und stellen somit in den meisten Anwendungen eine praktikable Option dar.
Autor:
Patrick Le Fèvre, Direktor für Marketing und Kommunikation, Ericsson Power Modules
