Hochverfügbare Steuereinheiten entwerfen

Eine Idee zum Produkt reifen lassen (Teil 2)

27. April 2016, 11:35 Uhr | Von Christoph Adam

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Baugruppen ­entwickeln und testen

Bild 1. Jeder Projektleiter möchte, dass sich aus der Serviettenzeichnung einer Produktidee möglichst schnell ein funktionierendes Gesamtsystem realisieren lässt. (alle Bilder: Heitec AG)
Bild 1. Jeder Projektleiter moechte, dass sich aus der Serviettenzeichnung einer Produktidee moeglichst schnell ein funktionierendes Gesamtsystem realisieren laesst.
© Heitec AG

Da die Gesamtfunktion des Kontrollsystems auf mehrere Baugruppen verteilt wurde, musste entsprechend jede Baugruppe nicht nur entwickelt, sondern auch als Einzelmodul getestet werden, um ihren Funktionumfang sicherzustellen. Bereits während der Konzeptionierungsphase wird also die entsprechende Testspezifikation pro Baugruppe definiert (HW-Design-Verifizierung). Dabei wird auch festgelegt, bei welchem Schritt der Systemschnittstellen-Test – etwa des I²C-Busses – stattfinden soll. Gerade bei systemübergreifenden Funktionen kann es sinnvoll sein, diese erst im Gesamtsystem zu testen.

Nach der Freigabe der Entwicklung für die Produktion werden die Baugruppen auf einer Prototypenlinie gefertigt, die speziell für kleine Stückzahlen und hohe Flexibilität ausgelegt ist. Die Baugruppen können so schnell produziert werden, ohne den Serienfertigungsbetrieb anderer Boards zu unterbrechen. Diese Übergabe in die Prototypenfertigung wird eng vom Entwickler zusammen mit dem Produktionsingenieur betreut – einerseits, um die saubere Umsetzung in die Prototypen zu gewährleisten, und andererseits auch, um frühzeitig Probleme zu erkennen, welche die Effektivität der Produktion in Serie einschränken könnten. Hierzu gehören Themen wie Tombstone-Effekte aufgrund von Oberflächenspannungen im Lötprozess oder das ungünstige Verhältnis von Pad-Größen zu Bauteilanschlüssen. Hier geht es zudem darum, die Entwickler im Sinne des „Design for Manufacturability (DFM)“ für die Produktionsthemen zu sensibilisieren.

Der nach der Produktion der Baugruppen folgende Board-Test für die Prototypen wird meist als Modultest in der Entwicklung durchgeführt – der Prüfling wird dabei über Stecker-Elemente, die meist einzeln verdrahtet werden, mit Strom versorgt. Dabei sehen die Tests – je nach Baugruppenkomplexität – sehr unterschiedlich aus. Im Falle der besagten Steuereinheit sind auch FPGAs auf mehreren Baugruppen verbaut und programmiert.

In dieser Phase müssen – zusätzlich zu den üblichen Tests wie Sichtprüfung, Spannungsprüfung, Kurzschlussfestigkeit, LED-Ansteuerung – auch FPGA-spezifische Themen wie das zeitlich abgestimmte Hochfahren der Versorgungsspannungen getestet werden, um das saubere sequenzielle Anlaufen der Versorgungsspannungen und auch den sicheren Ladevorgang der programmierbaren Logik zu gewährleisten.

Da bei der erwähnten Steuereinheit ein Hauptaugenmerk auf der Hochverfügbarkeit und damit dem Austausch aktiver Komponenten während des laufenden Betriebs liegt, sind zusätzlich auch die Hot-Swap-Fähigkeiten durch Einschaltstromtests beim Einstecken der Baugruppe zu verifizieren. Erst nachdem diese verschiedenen Baugruppen einzeln getestet und verifiziert worden sind, macht es Sinn, die Baugruppen als Verbund im System zu testen. Die Entwicklungsvorgänge der verschiedenen Bestandteile laufen also parallel ab, um Zeitvorteile und eine optimale Koordination zu erzielen.

Systemkonstruktion schließt ­Wärmemanagement mit ein

Parallel zur Baugruppenentwicklung findet die Konstruktion des Systems statt – auch hier, soweit möglich, basierend auf existierenden Standardgehäuse-Komponenten und -Modulen. Im Falle des Steuersystems wird in dieser Phase – aufgrund der Ergebnisse der Thermosimulationen – die Lüftung angepasst, um das Wärmemanagement zu optimieren.

Nach der Konstruktion und Montage werden die ersten echten Wärmetests mit speziellen Lastkarten in der Klimakammer durchgeführt, um die Effizienz der Kühlung zu ermitteln. Dabei lässt sich auch ohne die realen Systembaugruppen bereits das Hochverfügbarkeitskonzept des Gehäuses testen. Dies geschieht, indem zusätzlich zum Einsatz klassischer Sensoren im Ein- und Auslassstrom der Kühlung die durch die Thermosimulation ermittelten potenziellen Hot Spots im Gehäuse mit Thermofühlern ausgestattet werden.

Mit dieser Maßnahme werden erste wichtige Fragen beantwortet:

  • Werden alle Baugruppen auch bei Ausfall eines Lüfters noch zuverlässig mit Kühlungsluft versorgt?
  • Was passiert, wenn unterschiedliche Lüfter ausfallen?
  • Wie viel Zeit verbleibt bei Ausfall von zwei Lüftern, bis die Temperatur so hoch wird, dass das System beschädigt und damit funktionsuntüchtig wird?
  • Stimmen die Erkenntnisse aus der Thermosimulation mit denen überein, die im System zu sehen sind?
  • Gibt es neue Hot Spots, die so vorher nicht erwartet werden konnten bzw. in der Simulation nicht aufgetreten sind?

Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

  1. Eine Idee zum Produkt reifen lassen (Teil 2)
  2. Baugruppen ­entwickeln und testen
  3. Abweichungen zwischen realen und simulierten Messergebnissen

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

HEITEC AG Electronic Packaging Systems