Sinnvolles »Shrinken«

Miniaturisierung von Mixed-Signal-ICs geht anders

23. September 2022, 9:30 Uhr | Von Armin Derpmanns

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Design-Beispiel: Motor-Controller

Toshiba
© Toshiba

Motor-Controller sind relativ komplexe Bausteine und daher ein gutes Beispiel für den Prozess der Integration und Miniaturisierung im Nicht-Digitalen-Bereich. Typischerweise sind in diesen Bausteinen Steuerlogik, Gate-Treiber und MOSFETs in verschiedenen Kombinationen integriert. Abgesehen davon, was physikalisch möglich ist, muss der Designer in erster Linie entscheiden, was sinnvoll zu integrieren ist.

Eine vollständig integrierte Lösung mag zwar alle wichtigen Bausteine enthalten, was durchaus als attraktiv erscheint, schränkt aber die Flexibilität ein. Ein alternativer Ansatz integriert nur die Steuerlogik und die Gatetreiber, die MOSFETs bleiben weiterhin als diskrete Bauelemente auf der Platine. Auf diese Weise können die MOSFETs für eine Reihe unterschiedlicher Anwendungen dimensioniert werden, was sich durchaus positiv auf die Kosten auswirkt.

Aber auch neue Techniken für die Steuerlogik kommen dem Design zugute und erleichtern den Prozess der Integration und Miniaturisierung. So bringt zum Beispiel eine intelligente Phasensteuerung Strom und Spannung in dieselbe Phase, was den Leistungsfaktor und Energieverbrauch verringert, den Wirkungsgrad erhöht und die Betriebskosten des Motors senkt.

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Miniaturisierung
Neue Designtechniken unterstützen den Prozess der Integration und Miniaturisierung
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In einer herkömmlichen Antriebssteuerung sind zwei (relativ große) externe Strommesswiderstände (Shunts) erforderlich. Das innovative Advanced Current Detection System (ACDS) von Toshiba ersetzt dabei die externen Widerstände durch einen intelligenten und präzisen integrierten Messschaltkreis, was das PCB-Layout vereinfacht und Platz im Enddesign einspart.

Auch andere Techniken lassen sich integrieren, z.B. Toshibas Advanced Dynamic Mixed Decay (ADMD), das den Eingangsstrom genau verfolgt und eine hocheffiziente Antriebssteuerung bei hohen Drehzahlen ermöglicht. Darüber hinaus machen sensorlose Motorsteuerungstechniken externe Hall-Sensoren überflüssig, was die Größe, Stücklistenkosten und Komplexität weiter verringert.

Kommerzielle Überlegungen

Auch wenn viele Ansätze technisch möglich sind, müssen bei der Integration und Verkleinerung integrierter Schaltungen vor allem kommerzielle Überlegungen berücksichtigt werden. Einkäufer müssen zunehmend auf mehrere Anbieter setzen (Multi-Sourcing), was Footprint-kompatible Bauelemente von mehreren Herstellern erfordert. Das führt dazu, dass viele Halbleiterhersteller Standard-Footprints und -Pinbelegungen für ihre Bauelemente nutzen. Aber auch dann gibt es immer noch die Möglichkeit, sich durch gutes Design und innovative Techniken, wie die oben beschriebenen, von der Konkurrenz abzuheben.

Fazit

Die Miniaturisierung von Mixed-Signal-ICs, die Analog- und/oder Leistungselektronik-Schaltkreise enthalten, unterscheidet sich stark von der Verkleinerung eines digitalen ICs. Aufgrund der Mixed-Signal-Prozesse ist ein anderer Ansatz erforderlich – und oft wird zwar nicht die Größe des ICs verringert, aber an anderer Stelle des Enddesigns erhebliche Größenvorteile erzielt.

Die komplexen Abwägungen und Entscheidungen darüber, was (und wie) integriert werden soll, sowie kommerzielle Überlegungen erfordern erfahrene Entwickler. Toshiba ist in dieser Hinsicht mit seinem Know-how in den Bereichen Steuerlogik, MCUs, einfache Logik, Schnittstellen, Bridges, verschiedene Gate-Treiber-Designs (basierend auf seinen Optokopplern) und Leistungs-MOSFETs sehr gut aufgestellt.

Der Autor

 

 

Armin Derpmanns
Armin Derpmanns von Toshiba Electronics Europe
© Toshiba Electronics Europe

Armin Derpmanns hat seine derzeitige Rolle als General Manager Semiconductor Marketing bei Toshiba Electronics Europe im April 2018 übernommen und ist für den Bereich Halbleiter in Europa verantwortlich.
Seit seinem Eintritt bei Toshiba im Jahr 1989 hatte Armin Derpmanns verschiedene leitende Funktionen inne, darunter General Manager-Positionen, beispielsweise in der Geschäftsentwicklung für neue Märkte, neue Produkte, im technischen Marketing im europäischen Design-Center sowie verschiedene verantwortungsvolle Positionen im Produktmarketing und im Vertrieb in Schwellenländern. Zuvor war er General Manager für Solution Marketing. Armin Derpmanns ist Dipl. Ingenieur und lebt in Düsseldorf.


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