ICs für nachhaltiges Systemdesign
Energiesparend, zuverlässig, hohe Leistungsdichte und sicher
Nachhaltigkeit ist entscheidend. Dazu tragen erneuerbare Energien und deren effiziente Nutzung bei. Rechenintensive Systeme für nachhaltige Anwendungen erhöhen aber den Energieverbrauch. Neuerungen auf der Halbleiterseite helfen, nachhaltige Designs zu realisieren.
Im Mittelpunkt globaler Nachhaltigkeit stehen ökologische, wirtschaftliche und soziale Initiativen zum Schutz unserer Umwelt. Bei diesen Initiativen geht es um eine bessere Lebensqualität, mit der grundlegende menschliche Bedürfnisse befriedigt werden und gleichzeitig Technik zum Einsatz kommt, die sich positiv auf die Umwelt auswirkt. Eines der sichtbarsten Phänomene, das durch Nachhaltigkeitsinitiativen eingedämmt werden soll, sind die Auswirkungen des Klimawandels.
»Der Klimawandel wird weithin als die größte Herausforderung unserer Zeit angesehen. Es werden enorme finanzielle und personelle Ressourcen mobilisiert, um die Ursachen und Auswirkungen des Klimawandels zu bekämpfen und eine Energiewende weg von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren Ressourcen zu erreichen.« (Prysmian Group, 2023).
Das Bevölkerungswachstum, die zunehmende E-Mobilität, die Anforderungen der Industrieautomatisierung, die gestiegenen Anforderungen an die Datenverarbeitung im Hyperscale-Format sowie die Verbreitung intelligenter, batteriebetriebener IoT-Geräte erhöhen den Stromverbrauch dramatisch. Wenn fossile Brennstoffe die einzige Energiequelle sind, die zur Deckung dieser steigenden Nachfrage verwendet wird, würde die daraus resultierende höhere Menge an Treibhausgasemissionen die bereits sichtbaren Auswirkungen des Klimawandels noch verschärfen. Daher ist es zwingend erforderlich, dass erneuerbare Energiequellen einen größeren Anteil des steigenden Strombedarf decken als fossile Brennstoffe. Laut Bild 1 (eia International Energy Outlook 2021, www.eia.gov/ieo) wird die weltweite Nettostromerzeugung zwischen 2020 und 2050 voraussichtlich von 25 Billionen auf etwa 40 Billionen kWh steigen. Der Anteil der Elektrizität aus erneuerbaren Energiequellen, vor allem aus Wind- und Sonnenenergie, wird im gleichen Zeitraum von etwa 30 auf 65% steigen.
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Die Effizienz einer erneuerbaren Energiequelle hängt von einer optimierten/maximalen Energieübertragung von der Quelle zum Stromnetz oder zu den elektrischen Verbrauchern ab. Bei diesen elektrischen Lasten handelt es sich um häufig genutzte Consumer-/Haushaltsgeräte oder große Batteriespeichersysteme. Die elektrischen Lasten selbst sollen während des Betriebs nur eine minimale Menge an Strom verbrauchen, um so eine effiziente Energienutzung aus erneuerbaren als auch aus nicht erneuerbaren Energiequellen zu fördern. Um diese Ziele zu erreichen, müssen die Halbleiterbauelemente, aus denen Leistungswandler- und Embedded-Systeme im Bereich erneuerbare Energien bestehen, eine geringe Verlustleistung, hohe Zuverlässigkeit, hohe Leistungsdichte sowie Sicherheit bieten.
Design für geringen Stromverbrauch
Eine wichtige Eigenschaft von Halbleitern in nachhaltigen Designs ist ein geringer Stromverbrauch. Bei batteriebetriebenen, intelligenten/smarten Geräten, die für nachhaltige Ökosysteme charakteristisch sind, verlängert ein niedriger Stromverbrauch die Batterielebensdauer, was sich in längeren Betriebszeiten zwischen den Ladezyklen niederschlägt und somit Energie spart. Bei Hochleistungs-DC/DC- und AC/DC-Wandlern in Anwendungen für erneuerbare Energien führt ein geringerer Stromverbrauch zu einer höheren Systemeffizienz, die eine größere Parität zwischen der erzeugten und der an eine elektronische Last gelieferten Leistung aufweist.
Die beiden Hauptursachen der Halbleiterverluste in Embedded-Systemen sind die statische und die dynamische Verlustleistung. Die statische Verlustleistung ist der Stromverbrauch, der entsteht, wenn sich ein Schaltkreis in einem Standby- oder Nichtbetriebszustand befindet. Die dynamische Verlustleistung ist die Leistungsaufnahme, wenn sich die Schaltung in einem Betriebszustand befindet. Generell gilt: Je kleiner der Prozessknoten und je kleiner die Bauteilgeometrie, desto höher die Leckströme (statische Verlustleistung) und desto geringer die dynamische Verlustleistung aufgrund der kleineren Bauteilkapazitäten.
Bei größeren Halbleitergeometrien wiederum ist der Trend genau umgekehrt. Diese Kompromisse müssen bei der Entwicklung von Halbleitern für bestimmte Anwendungen berücksichtigt werden – je nachdem, ob es sich um ein batteriebetriebenes System handelt, bei dem die statische Verlustleistung minimiert werden muss, oder um ein System zur Umwandlung erneuerbarer Energien, bei dem es ratsam ist, die dynamische Verlustleistung zu begrenzen. Um die dynamische als auch die statische Verlustleistung einzudämmen, werden die Halbleiter so konzipiert, dass die Kapazität durch das Design ihres internen Layouts minimiert wird; sie bei niedrigeren Spannungsniveaus arbeiten und flexibel sind, um ihre jeweiligen Funktionsblöcke zu aktivieren und zu deaktivieren, wenn sich das Gerät im Deep-Sleep-Standby- oder Betriebsmodus befindet.
Zuverlässige Chipgehäuse
Die Leistungsfähigkeit nachhaltiger Systeme lässt sich an der Zuverlässigkeit der Bauteile und der Langlebigkeit des Systems messen. Beides wird durch den Betrieb eines Halbleiterbauelements am oberen Ende der zulässigen Temperatur beeinträchtigt. Je nach Anwendungsumgebung sind Chipgehäuse auch anfällig für mechanische Belastung und Torsion, so dass die Zuverlässigkeit auf Leiterplattenebene für den langjährigen Betrieb des Systems entscheidend ist.
Microchip und viele andere Halbleiterhersteller verwenden die VQFN- und TQPF-Gehäuse, um komplexe Chips, wie z. B. digitale Signalcontroller, in kleinen Gehäusen bereitzustellen. Das VQFN-Gehäuse bietet freiliegende Pads auf seiner Unterseite, um eine angemessene Wärmemenge abzuleiten und einen ausreichend niedrigen Übergangswiderstand (°C/W) zu gewährleisten, wenn der Chip mit seiner maximalen Kapazität arbeitet.
TQFP-Gehäuse mit geringer Bauhöhe sind mit Gull-Wing-Anschlüssen ausgestattet, um Vibrationen und anderen mechanischen Belastungen in rauen Betriebsumgebungen standzuhalten und eine hohe Zuverlässigkeit auf Leiterplattenebene zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglichen flache Gehäuse den Entwicklern nachhaltiger Systeme den Einsatz kleinerer Module, die nicht nur die Systemkosten senken, sondern auch weniger Material verbrauchen. Dies führt zu weniger Abfall am Ende des Produktlebenszyklus.
Hohe Leistungsfähigkeit und kleinere Systeme
Halbleiter mit hoher Leistungsdichte sind so ausgelegt, dass sie mit hohen Leistungspegeln betrieben werden können, während sie gleichzeitig eine kleine Grundfläche einnehmen. Dies sind die typischen Eigenschaften von Siliziumkarbid-/SiC- und Galliumnitrid-/GaN-Wide-Bandgap-/WBG-Halbleitern und -Leistungsmodulen, die für die Leistungswandlung in den Bereichen Solar-, Windenergie und Elektrofahrzeuge (EV) eingesetzt werden. SiC und GaN verkleinern Leistungswandler, indem sie deren Betrieb bei höheren Frequenzen erlauben. Dabei lässt sich die Größe und das Gewicht der passiven Bauelemente verringern, die für die Übertragung der maximalen erzeugten Energiemenge und zur Aufrechterhaltung eines hohen Wirkungsgrads erforderlich sind.
Sicherheit = Langlebigkeit
Sicherheitsmerkmale von Halbleitern sind für eine nachhaltige Systementwicklung unerlässlich. Die Sicherheitsfunktionen in MCUs, z. B. sicheres Booten, ermöglichen die Wiederverwendung eines bestehenden Systems, indem sie die Integrität von Software-Updates überprüfen, was die Leistungsfähigkeit des Systems verbessert oder Fehlerkorrekturen im Code bewerkstelligt. Damit kann ein Design potenziell über längere Zeiträume verwendet werden, ohne dass es ausgetauscht und später aufgrund von Veralterung verschrottet werden muss.
Sichere Schlüsselspeicherung und Knotenauthentifizierung sind in Halbleiterbauelementen implementierte Sicherheitsmerkmale, die vor externen Angriffen schützen und sicherstellen, dass nur echter Code auf einem Embedded-Design ausgeführt wird. Diese Funktionen ermöglichen es zwei oder mehr Chips, den Empfang und die Übertragung verschlüsselter Daten zwischen vertrauenswürdigen Quellen zu bestätigen, ohne die Leistungsfähigkeit des Systems zu beeinträchtigen.
Nachhaltige Designs sind Teil eines Ökosystems von Energieerzeugern und -verbrauchern mit der Herausforderung, nicht nur die größtmögliche Menge an Energie aus einer erneuerbaren Energiequelle zu erzeugen und zu speichern, sondern auch effiziente Steuerungssysteme zur Nutzung dieser Energie einzusetzen. Die für Erzeuger- und Verbrauchersysteme entwickelten Chips berücksichtigen nachhaltige Designfaktoren. Viele Halbleiterhersteller, wie z. B. Microchip, entwickeln neue Produkte mit geringerem Stromverbrauch, höherer Leistungsdichte und fortschrittlichen Sicherheitsfunktionen, um die Marktanforderungen zu erfüllen, die für nachhaltige Systeme erforderlich sind (Bild 4). Einige dieser Anwendungen reichen von einfachen, aber hocheffizienten Pumpen und Lüftern bis hin zu komplexer grüner Energieerzeugung und -speicherung.
Autor:
Jay Nagle verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Automotive- und Halbleiterindustrie. Er unterstützt Kunden bei der Entwicklung zuverlässiger, kosteneffizienter Systemdesigns auf Basis des breiten Angebots an Bauelementen von Microchip. Nagle hält einen BSEE, MSEE und einen Master-Abschluss in Engineering Management von der University of Michigan.
Referenzen:
- [1] What are the biggest sustainability threats?, Prysmian Group,
- https://www.prysmiangroup.com/en/insight/sustainability/what-are-the-biggest-sustainability-threats
- [2] 2022 Sustainability Report – Microchip,
- https://ww1.microchip.com/downloads/aemDocuments/documents/corporate-responsibilty/sustainability/2022-Microchip-Sustainability-Report.pdf
- [3] Ivey, Brant, 2011 Low-Power Design Guide, Application note: 1416,
- Retrieved from Microchip Technology Corporation Website: https://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/90001416a.pdf
- [4] Microchip Packaging Specification, 2015,
- https://ww1.microchip.com/downloads/en/PackagingSpec/00000049BZ.pdf
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