Die Entwicklung eines komplexen Mixed-Signal-ASICs ist technisch aufwändig und mit relativ hohen Entwicklungskosten verbunden. Eine derartige Investition ist daher nur für hochvolumige Projekte ökonomisch sinnvoll, beispielsweise im Automotive-Bereich oder für Consumer-IT und Hausgeräte. Bei einem solchen ASIC-Projekt stützt sich die Zusammenarbeit zwischen Kunden und Halbleiterhersteller auf einer text- oder modellbasierten Spezifikation, die im Vorfeld des ASIC-Designs im Detail abgestimmt und definiert wird. ZMD greift bei ASIC-Entwicklungen auf seine „Golden-IP-Library“ mit mehr als 100 erprobten analogen und digitalen Funktionsblöcken zurück, aus der sich die benötigten Funktionen auf dem Chip nach dem Baukastenprinzip zusammensetzen lassen. Doch auf welcher Basis kann man das Design komplexer Mixed-Signal-Systems-on-Chip applikationsgerecht optimieren, wenn das ASIC-Geschäftsmodell beispielsweise wegen zu geringer Stückzahlen bei einem Kunden bzw. einem Projekt finanziell nicht umsetzbar ist? Der grundlegende Ansatz von ZMD besteht darin, technisch weitgehend gleichartige Applikationen mit mehreren Leitkunden gemeinsam zu analysieren, um die Funktionen des zu entwickelnden ZMD-Standard-Produktes so flexibel und applikationsgerecht wie möglich zu spezifizieren.
Alle systemrelevanten Parameter identifizieren und Funktionen aufteilen
Spannende Fragestellungen dabei sind die Identifikation möglichst aller systemrelevanten Parameter sowie die Aufteilung der erforderlichen Funktionen auf die analoge und digitale Hardware sowie die Software. Gemeinsam mit den Leitkunden eines solchen Projektes wird das beispielsweise in Studienphasen vor dem Beginn der eigentlichen ASSP-Entwicklung (ASSP, Applikationsspezifisches Standard-Produkt) erarbeitet. Eine systemübergreifende Optimierung ist in vielen Fällen problematisch, weil das System-Know-how der Leitkunden geschützt werden soll. Erhebliche Systemkostensenkungen ließen sich in den Fällen erzielen, bei denen die ASSP-Spezifikation in Kooperation mit den Leitkunden unter Einbeziehung dieses Kunden-Know-hows erarbeitet wurde. Seitens ZMD wird von den ASSP-Leitkunden eine verbindliche Aussage zu Projekten, Mengen und Zeitraum der zu liefernden Bauteile erwartet. Je nach dem Grad der Beteiligung an den Entwicklungskosten lässt sich auch eine zeitlich befristete und/oder applikationsbezogene Exklusivität für die Nutzung des ASSP-Produktes mit den Leitkunden vereinbaren.
Vorteile eines ASSP-Modells am Beispiel von Drucksensor-Applikationen
Immer mehr Sensoren zur Druckmessung werden im Kfz, in Industrieanlagen und Hausgeräten eingesetzt, um zum Beispiel deren Funktionen oder 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 zu erfüllen, ist die Umsetzung eines Plattform-Konzeptes für die Sensorsignalkonditionierungs-Elektronik im Rahmen einer vollständigen Systemkosten-Betrachtung. Diese Systemkosten beinhalten im Grunde folgende Teilkosten:
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- Verbrauchsmaterial- und Bauteile- kosten,
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- Rüst- und Monatgekosten,
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- Abgleich- und Kalibrierkosten,
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- Materiallogistik-Kosten (Lagerhaltung & Beschaffung),
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- Qualitätskosten.
Bei Verwendung einer Plattform-Elektronik zur Sensorsignalkonditionierung auf Basis eines ASSP-SoC (System on Chip) für mehrere Drucksensor-Applikationen lassen sich signifikante Senkungen insbesondere der Abgleich- und Kalibrierkosten und der Kosten für Materiallogistik und Qualität erzielen. Allerdings ist die exakte Erfassung dieser Teilkosten zu Beginn eines Produktdesigns relativ aufwändig. Der stets vorhandene Zeitdruck bei der Umsetzung solcher Entwicklungsprojekte führt häufig zu einer nur groben Abschätzung dem Produkt zuzuordnenden Teilkosten. Die in der Design-in-Phase zu treffende Entscheidung für eine Sensorsignalkonditionierungsvariante beeinflusst jedoch diese noch „unscharfen“ Teilkosten-Anteile maßgeblich und bietet Einsparpotenzial. Mit geeigneten Evaluierungswerkzeugen, die ZMD im Rahmen eines ASSP-Projektes bereit stellt, lassen sich auch diese Teilkosten genauer beziffern. Zudem lässt sich bei Verwendung eines ASSPs in mehreren Projekten über das aufsummierte, größere Volumen der Einkaufspreis für dieses ASSP-Produkt senken. Alle Effekte zusammen können von Drucksensor-Herstellern dazu genutzt werden, den oben genannten „Gordischen Knoten“ (steigender Funktionsumfang versus sinkende Modulpreise) zu lösen.
Im Kfz lassen sich eine Vielzahl von Drucksensoren finden – im Kraftstofftank, Bremssystem, Luftansaug-System (MAP), Einspritz-System oder in der Klimaanlage. In Nutzfahrzeugen oder Baumaschinen kommen noch Drucksensoren für diverse Hydraulik- und Druckluft-Systeme hinzu. Diese Sensoren arbeiten im Temperaturbereich von –40 bis 125/150 °C und werden entweder direkt vom 12- oder 24-V-Bordnetz versorgt oder über eine ECU mit 5 V. Als Ausgangssignal wird bei 5-V-Versorgung meist ein analoges, ratiometrisches Spannungssignal mit Genauigkeiten von typischen Ein-Prozent-FSO (Full Scale Output) verwendet. Zudem werden Eigendiagnose-Funktionen gefordert, die die Fehlererkennung im Sensormodul erleichtern und so die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems Automobil erhöhen. Typische Stückzahlen für solche Sensormodule liegen zwischen 100.000 und mehreren Millionen Stück pro Jahr. Für diese 5-V-Automotive-Applikationen wurde der Plattform-IC ZMD31150 in enger Zusammenarbeit mit Leitkunden aus der Kfz-Zulieferindustrie konzipiert. Sein flexibles, analoges Frontend ermöglicht die Konditionierung von Drucksensoren verschiedener Techniken (piezoresistiv; Dünnschicht auf Keramik- oder Edelstahl-Membran), die sich in den Applikationen je nach Anforderungsprofil (zum Beispiel an Medienresistenz) einsetzen lassen. Auch Sensoren, die ein extrem ungünstiges Verhältnis von Nullpunkt-Offset zu Nutzsignal (bis 300 Prozent) aufweisen und normalerweise werkseitig zum Beispiel durch Lasertrimmung vorabgeglichen werden müssen, lassen sich vom Drucksensor ohne einen so aufwändigen Vorabgleich konditionieren. Insbesondere für sicherheitsrelevante Applikationen wie im Bremssystem sind Diagnosefunktionen im Sensormodul zu realisieren, wie die Überwachung der elektrischen Verbindungen zwischen Drucksensor und Signalkonditionierungs-IC („Sensor-Connection-Check“) oder die Erkennung eines Leitungsbruches im dreiadrigen Kabelbaum zum Steuergerät (Power&Ground-Loss-Detection). Diese Funktionen sowie weitere, interne Diagnose-Funktionen (BIST, Build-in-Self-Test) sind in dem Plattform-IC integriert, sodass sich Sensormodule bis SIL 2 (Safety Integrity Level) realisieren lassen. Eine weitere wesentliche Forderung an Automotive-taugliche ICs zur Sensorsignalkonditionierung besteht darin, die erforderlichen Schutzfunktionen gegen Kurzschluss, Verpolung und Überspannung für die drei über den Kabelbaum mit der ECU verbundenen Sensormodul-Anschlüsse on-chip zu realisieren. Der Plattform-IC bietet genau diese Schutzfunktionen auf einem Level, das den Einsatz im Pkw ohne zusätzliche externe Schutzbausteine erlaubt. Typischerweise sind nur drei externe Kondensatoren (2x100nF/X8R und 1x47nF/X8R) erforderlich, um das fehlerfreie Funktionieren des Sensormoduls auch unter HF-Einfluss auf Automotive-EMV-Niveau zu gewährleisten. Somit bietet der ZMD31150 alle Funktionen, die eine Nutzung als Plattform-IC für Automotive-Drucksensoren ermöglichen. Die Hersteller solcher Sensormodule werden in die Lage versetzt, die gleiche Kalibrierlinie mit geringen Modifikationen für verschiedene Sensormodule zu nutzen bzw. mehrere, weitgehend gleichartige und damit Redundanz bietende Kalibrierlinien aufzubauen. Zudem wird die Qualitätssicherung wesentlich vereinfacht, weil immer mit dem gleichen IC als Herzstück jedes Sensormoduls gearbeitet wird. Die im Automotive-Bereich geforderte Rückverfolgbarkeit jedes einzelnen Sensormodules (Traceability) wird durch drei frei programmierbare 16-Bit-EEPROM-Zellen im ZMD31150 voll unterstützt.
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