Kompakte Mikrocontroller und ihre Vorzüge Nicht nur Platz gespart

In den vergangenen Jahren hat das Angebot an Mikrocontrollern rapide zugenommen, gleichzeitig wurden diese Bausteine selbst immer kleiner. Und dieser Trend wird sich sicher weiter fortsetzen. Anhand einiger Beispiele erläutert dieser Artikel diese Veränderungen und zeigt, dass Mikrocontroller in kompakten Gehäusen mehr Vorteile bieten als nur die Platzeinsparung.

Kompakte Mikrocontroller und ihre Vorzüge

In den vergangenen Jahren hat das Angebot an Mikrocontrollern rapide zugenommen, gleichzeitig wurden diese Bausteine selbst immer kleiner. Und dieser Trend wird sich sicher weiter fortsetzen. Anhand einiger Beispiele erläutert dieser Artikel diese Veränderungen und zeigt, dass Mikrocontroller in kompakten Gehäusen mehr Vorteile bieten als nur die Platzeinsparung.

Unsere moderne Welt wirkt sich auf die von uns verwendeten Techniken ebenso aus wie auf die Art und Weise, wie wir diese implementieren. Die Geräte werden immer kompakter und leichter, und Batteriebetrieb ist in vielen Applikationen inzwischen unverzichtbar. Dementsprechend sparsam müssen diese auch mit der Energie umgehen – nicht nur, um die Batterielebensdauer zu verlängern, sondern auch, um die immer strenger werdenden Umweltschutzvorschriften einzuhalten. Der Konsument von heute wünscht nicht nur kleinere und leichtere Produkte, sondern verlangt auch mehr Features, höhere Geschwindigkeit und weniger Geräuschentwicklung. Somit sind die Hersteller stets gefordert, ihre Produkte zu verbessern, sowohl um ihre Konkurrenten aus dem Feld zu schlagen als auch mit dem Ziel, die Leistungsfähigkeit und Feature-Ausstattung innerhalb ihres eigenen Produktspektrums zu verbessern. Hinzu kommt, dass Mikrocontroller mittlerweile in ganz ungewohnten Anwendungen zum Einsatz kommen, nämlich als Ersatz für Verbindungslogik sowie in miniaturisierten Subsystemen, die entweder autonom oder im Verbund mit anderen Systemen arbeiten.

Ein Beispiel hierfür ist der Lüfter, der beispielsweise in jedem Desktop-PC zum Kühlen der CPU dient. Noch vor einigen Jahren hatte dieser einen Durchmesser von 5 cm bis 6 cm, wurde mit 12 V versorgt und lief, solange der PC eingeschaltet war. Dies erzeugte nicht nur Lärm, sondern brachte auch eine Stromaufnahme von einigen zehn, in einigen Fällen auch hundert Milliampere mit sich. Elektronik gab es in diesen Lüftern nicht. Heute ist es grundlegend anders: Speziell bei Laptop-Computern ist der Lüfter deutlich kleiner und auch seine Stromaufnahme ist wesentlich geringer. PC-Käufer wünschen heute einen fast lautlosen Betrieb und legen bei Laptops Wert auf lange Akkulaufzeiten. Ein Weg, diese Vorgaben zu erfüllen, liegt darin, in den Lüfter einen Mikrocontroller (MCU) einzubauen, der die CPU-Temperatur misst, die Lüfterdrehzahl entsprechend dem gemessenen Wert reguliert und im Fall einer Störung einen Alarm an das System sendet. Auch eine Verzahnung dieses Subsystems mit dem Power-Management-System eines PC ist denkbar.

Plattformkonzept wird umsetzbar

In Bild 1 ist das Blockschaltbild eines derartigen Systems auf Basis eines 8-Bit- Mikrocontrollers dargestellt. Neben dem A/D-Wandler des MCUs kommen seine Timer und PWM-Funktionen zum Regulieren der Motordrehzahl zum Einsatz. Im Flash-Speicher können Wertetabellen zum Linearisieren des Sensorsignals sowie der Programmcode abgelegt sein. Überdies lassen sich die Timer verwenden, um den Lüfter zu bestimmten Zeiten ein- und auszuschalten. Auch die UART-, I2C- oder CSI-Schnittstellen (Clocked Serial Interface) lassen sich zur Kommunikation mit externen Systemen nutzen. Bereits solch ein relativ einfaches System kann von der Leistungsfähigkeit eines Mikrocontrollers profitieren. Drehzahl und Temperaturgrenzwerte sowie Ein/Aus- Intervalle lassen sich in den MCU einprogrammieren, sodass sich ein und dasselbe System für unterschiedliche PCs verwenden lässt. Damit ein solches Plattformkonzept allerdings praktikabel wird, müssen die Kosten auf ein absolutes Minimum gedrückt werden. Abgesehen von der Minimierung des Bauteileaufwands sind hierzu auch die Leiterplattenfläche und die Produktionskosten auf ein Mindestmaß zu reduzieren.

Mit kleineren Mikrocontrollern lässt sich auch der Bauteilaufwand auf einer Leiterplatte reduzieren. Sofern der MCU hinreichend kompakt und leistungsfähig ist, kann er mehrere ältere Bauelemente in einer Schaltung ersetzen und neben größerem Funktionsumfang auch einen wirtschaftlichen Vorteil bieten. Der populäre Timer des Typs »555« zum Beispiel konnte mit wenigen externen Bauelementen präzise Rechtecksignale generieren. Um unterschiedliche Zeitkonstanten einzustellen, mussten die Werte der externen Bauteile variiert werden, und eine hohe Genauigkeit ließ sich nur erzielen, wenn die verwendeten Widerstände und Kondensatoren eine geringe Toleranz aufwiesen. Ein Mikrocontroller mit wenigen Pins kann dieselben Aufgaben ohne externe Bauelemente übernehmen. Zeitkonstanten lassen sich umgehend ändern, und die Genauigkeit beim Einstellen und Halten der gewählten Impulsbreiten ist größer.

Enthält der MCU einen A/DWandler, lässt sich damit außerdem ein separater ADC ersetzen. Dieser Wandler kann eigenständig die Mittelwertbildung, Skalierung und Linearisierung vornehmen, bevor Resultate an einen Host-Controller weitergegeben werden. Ebenso lässt sich ein D/A-Wandler mit PWM-Ausgängen realisieren, wobei sich mit Hilfe einer im Speicher des Mikrocontrollers abgelegten Wertetabelle eine nicht lineare Übertragungsfunktion implementieren lässt. Mit dem kompakten Mikrocontroller lässt sich zudem ein nicht flüchtiger Speicher implementieren, indem man selbst programmierenden Library-Code zur EEPROMEmulation benutzt.

Das Beispiel des 555-Timers unterstreicht den wichtigen Aspekt, dass ein interner Oszillator erforderlich ist. Sobald der MCU, wie kompakt er auch immer sein mag, einen externen Quarzoszillator und weitere Bauelemente benötigt, lässt sich das ursprünglich angestrebte Ziel möglicherweise schon nicht mehr erreichen. Es ist deshalb überaus wichtig, dass ein Platz sparender Mikrocontroller höchstens ganz wenige externe Bauelemente benötigt. Früher erforderte ein Mikrocontroller einen Oszillator, eine Reset-Schaltung und möglicherweise einen zusätzlichen Überwachungsbaustein, wodurch diese Schaltung unter dem Strich sogar mehr Platz beanspruchen konnte eine Lösung ohne MCU (Bild 3).

Um den hohen Anforderungen, die an heutige Mikrocontroller gestellt werden, gerecht zu werden, bietet NEC Electronics eine umfangreiche Palette an 8-, 16- und 32-Bit-Mikrocontrollern an, darunter auch Versionen mit besonders kompakten Gehäusen (Bild 4). Diese Bausteine enthalten die oben angesprochenen Funktionen, nämlich Watchdog-Timer, Oszillator, LVI (Low Voltage Indicator) und POC (Power-On Clear).

Trotz ihrer Kompaktheit stellen die Gehäuse bei der Leiterplattenmontage keine besonderen Anforderungen. Leiterplattenhersteller, die für BGA-Gehäuse (Ball Grid Array) gerüstet sind, können mit den entsprechenden Anlagen auch diese Gehäuse bestücken und löten, sodass praktisch kein zusätzlicher Aufwand entsteht. Zwar müssen für die Inspektion Röntgengeräte verwendet werden, doch sind diese jedem Unternehmen ohnehin vertraut, welches BGAGehäuse verarbeiten kann. Neue Leiterplattentechniken wie zum Beispiel Via-in-Pad können das Routing zu den ganz innen liegenden Pins erleichtern, obwohl man hierauf meist erst bei Bauteilen mit mehr Pins zurückgreift. Bei WCSP-Gehäusen (Wafer Chip Scale Package) werden für alle elektrischen Anschlüsse Lotkugeln verwendet, die sich für Reflow-Lötung eignen. Beim FPLGA (Fine Pitch Land Grid Array) kommen dagegen »Lands« zum Einsatz, die ebenfalls per Reflow-Lötung verarbeitet werden, aber noch flachere Baugruppen ermöglichen.

NEC Electronics Europe
Telefon 02 11/65 03 0
www.eu.necel.com

Autor
Matthew Constance ist als Application Support Engineer in der Industrial & Distribution Business Group von NEC Electronics Europe tätig

Ralf Higgelke, DESIGN&ELEKTRONIK