Design-Praxis: Systemsimulation (Teil 1) Zur Versorgungsintegrität von Embedded Hardware

Mit der steigenden Integrationsdichte moderner eingebetteter Elektronik werden einfache Abschätzungen zum Systemverhalten nahezu unmöglich. Dann gewähren numerische Simulationen einen Einblick in die intrinsische Dynamik, schaffen Klarheit und Abstraktion auf Systemebene.

Die Artikelserie zählt mit einem generischen Entwurf, die wichtigsten Charakteristiken einer typischen Embedded Hardware auf.

Eingebettete Systeme (Embedded Systems) sind ein wichtiger Bestandteil vieler moderner Anwendungen und technologischer Neuerungen. Sie finden in den verschiedensten Bereichen wie z.B. modernen Industrieanlagen, Verkehrsmitteln vom Automobil über Bahn bis zum Flugzeug, Medizintechnik, Hausautomatisierung, Unterhaltungselektronik oder Logistik Einsatz. Die eingebetteten Rechenplattformen sind hier vielseitig einsetzbar und übernehmen verschiedenste Aufgaben, wie die Steuerung oder Regelung von elektromechanischen Komponenten oder dienen der Erhebung, Erfassung, Speicherung von Daten und der Signalverarbeitung.

Diese Artikelreihe fokussiert auf das Verständnis der physikalischen Gegebenheiten, die bei der Hardwareentwicklung eingebetteter Systeme berücksichtigt werden müssen. Es wird aufgezeigt, wie numerische Simulationen in der frühen Auslegungsphase helfen, die richtigen Designentscheidungen zu treffen. Das ermöglicht den gezielten Entwicklungsprozess ohne unnötige Redesigns. Der Designraum wird durch Funktionsumfang des Systems, Hardwareanforderungen, Größe des Bauraums, Formfaktor, Stromumsatz, Betriebssicherheit und nicht zuletzt den Stückpreis aufgespannt. Den Formfaktor bestimmen hier teilweise auch vordefinierte Normen wie COM-Express, Q7- oder die SMARC-Plattform: sie regulieren Anzahl, Art und Platzierung der Schnittstellen und ggf. die Rechenleistung. Der Wettbewerbs- und Innovationsdruck stellt jedoch immer neue Herausforderungen an die Entwickler. Des Weiteren muss aufgrund langer Lebenszyklen (Lifecycle) die Verfügbarkeit oft über zehn Jahre gewährleistet werden: damit sind mehrere Leiterplattenhersteller involviert.

Lange Lebenszyklen und verschiedene PCB-Fertiger, erhöhen die Streuung der physikalischen Eigenschaften einer Leiterplatte. Hinzu kommen auch Bauteilvariationen: z.B. Änderungen an Technologien in einer Komponente, oder Abkündigung und Ersatz einer Komponente. Das Design muss derart ausgelegt sein, dass das System unter all diesen Variationen zuverlässig funktioniert. Abhängig von der Anwendung gibt es vielfältige Herausforderungen in vielen physikalischen Domänen zu meistern. Elektrisch muss die Funktionalität des Systems gewährleistet sein; die Abwärme muss effizient abgeführt und die mechanische Zuverlässigkeit unter den gegebenen Einsatzbedingungen sichergestellt werden. Das richtige Verständnis dieser Phänomene hilft bei der zielgerichteten Entwicklung eines geeigneten Designs. 

Der erste Teil dieser Artikelserie diskutiert jene Aspekte, die bei der Versorgungsintegrität einer eingebetteten Plattform auf der Leiterplattenebene beachtet werden müssen: zunächst die Verteilung der Kupferflächen und der Durchkontaktierungen (Vias), zur Gewährleistung der jeweiligen Stromtragfähigkeit. Weiterhin dynamische Effekte, wie Resonanzen und Impedanzen im Versorgungsnetzwerk (Power Rail), sowie die optimale Auswahl und Platzierung von Stützkondensatoren. Dies ist für eine stabile Stromversorgung und die EMV-Verträglichkeit wesentlich.