Optimierung des Stromversorgungsdesigns zur Verbesserung von SWaP-C und TTM

Es gibt viele überzeugende Gründe, den Designprozess zu optimieren — insbesondere im Bereich des Stromversorgungsteilsystems, das oft eher als notwendiges Übel statt als direkter Beitrag zu hochwertigen Systemfunktionen betrachtet wird. Stromversorgungslösungen gehören zudem zu den teuersten Komponenten in der Systemstückliste (BOM). Diese Faktoren, zusammen mit dem Vertrauen, das sich aus der Wiederverwendung eines qualifizierten Designblocks oder eines handelsüblichen Leistungsmoduls ergibt, motivieren zur Einführung einer Leverage-/Wiederverwendungsstrategie über aufeinanderfolgende Projekte hinweg.

Eine zentrale Erkenntnis ist, dass Stromversorgungsstakeholder zwar die Outputs verantworten müssen, jedoch selten in den Prozess eingebunden sind, der zu den Inputs führt. Angesichts der Tatsache, dass das Power Engineering ein hochspezialisiertes Fachgebiet mit multidisziplinärem Hintergrund ist – in der Regel aufgebaut durch viele Jahre praktischer Erfahrung – ist es erstaunlich, wie selten diese Expertise frühzeitig einbezogen wird. Besonders kritisch ist dies, da Stromversorgungsteilsysteme oft der primäre Schlüsselfaktor für die Optimierung von Systemgröße, Gewicht, Leistung und Kosten (SWaP-C) sind. Da keine Elektronik ohne Strom funktioniert, gehören auch Leistung und Zuverlässigkeit zwingend auf diese Liste. Erschwerend kommt hinzu, dass der Projektzeitplan häufig auf einem idealisierten, fehlerfreien Entwicklungszyklus basiert – oft zusätzlich um 10% verkürzt, um die Time-to-Market (TTM) gegenüber der Vorgängergeneration noch weiter zu beschleunigen – was die ohnehin schon unrealistischen Anforderungen zusätzlich verschärft.

Nun beginnt der Verhandlungsprozess. Ingenieure sind darauf trainiert, Probleme zu lösen. Wenn sie mit einer Liste herausfordernder Aufgaben konfrontiert werden, ist der erste Reflex, sofort nach Lösungen zu suchen (z. B.: Gibt es ein vorhandenes Teil, das diese Leistungsdichte und diesen Footprint erfüllen kann? Soll der Luftstrom von vorne nach hinten oder von hinten nach vorne verlaufen, um die thermischen Anforderungen des Systems zu erfüllen? Und so weiter...). Schon dieser erste Schritt ist eine Gelegenheit, innezuhalten und das Systembudget sowie dessen Entstehung genau zu hinterfragen.

Wie oft ziehen beispielsweise alle Lasten – insbesondere die größeren – tatsächlich gleichzeitig ihren Maximalstrom? Viele Teilsysteme sind so ausgelegt, dass sie in Gegenphase zu anderen arbeiten (z. B. klassische Beispiele für Rechen- und Speicherleistungsanforderungen oder Betriebszyklen wie Schlafen/Wachen/Senden), sodass es selten sinnvoll ist, die Summe der Maxima – oft aus Datenblättern mit bereits unrealistischen Maximalwerten plus Sicherheitsmarge abgeleitet – für das aggregierte Leistungsbudget heranzuziehen.

Berücksichtigen Sie jeden Berührungspunkt dieses Leistungsbudgets von der Entstehung bis zur Finalisierung. Jeder Stakeholder wird tendenziell eigene Margen hinzufügen, um seine spezifischen Vorgaben abzusichern – was sich im Laufe des Prozesses stark aufsummiert. Diese zusätzlichen „Fettschichten“ verursachen erhebliche Mehrkosten und binden Ressourcen für die Auslegung auf extrem unrealistische Betriebsszenarien, selbst unter Berücksichtigung extremer Worst-Case-Modelle.

Ein weiterer wichtiger Punkt im Kampf gegen aufgeblähte Systemleistungsbudgets ist, die größten Chancen für Optimierung zu erkennen. Beginnen Sie damit, die größten und anspruchsvollsten Lasten im System zu identifizieren, und sprechen Sie mit den maßgeblichen Stakeholdern, die am besten verstehen, was diese Lasten tatsächlich an Leistung benötigen. Sammeln Sie dabei nach Möglichkeit reale Charakterisierungsdaten. Dieser Ansatz öffnet oft die Tür zur Einführung intelligenter Leistungsmanagement- (IPM-)Techniken, wie z. B. die Zusammenfassung von Niederspannungs-Stromschienen, Lastverteilung oder -abwurf sowie kurzfristige Leistungszuteilung.

IPM wird definiert als eine „Kombination aus Hardware und Software, die die Verteilung und Nutzung elektrischer Energie in Computersystemen und Rechenzentren optimiert“ [1]. Auch wenn der Begriff ursprünglich im Rechenzentrumsumfeld geprägt wurde, ist seine Anwendung weitreichend, da IPM eher eine Denkweise im Designansatz darstellt als eine spezifische Lösung. Beispielsweise kann ein Wechsel des Denkmodells bei der Architektur des Stromversorgungssystems von „immer eingeschaltet“ zu „immer verfügbar“ einen echten Paradigmenwechsel im Endergebnis bewirken. Dies erfordert eine enge Zusammenarbeit sowohl mit internen Teammitgliedern als auch mit externen Anbietern.

Mit anderen Worten: Es ist oft wesentlich einfacher, schneller und kosteneffizienter, den Aufwand darauf zu richten, das Systemleistungsbudget auf eine realistische Zusammenfassung der maximalen Worst-Case-Leistungsbelastung (aus der Perspektive jeder einzelnen Stromversorgung) zu reduzieren, anstatt zu versuchen, die Physik – oder verfügbare Komponenten – an unrealistische Erwartungen anzupassen. Angesichts des konstanten Drucks auf Zeit- und Kostenreduzierung ermöglicht dieser Ansatz einen deutlich reibungsloseren Verhandlungsprozess zwischen den Team-Stakeholdern und hilft, ein pragmatisches Gleichgewicht zwischen Zeit, Kosten und Qualität herzustellen. Diese unvermeidlichen Kompromisse sind eng miteinander verknüpft, ganz gleich, wie sehr wir uns wünschen, dass dem nicht so wäre, wie in der nachstehenden Abbildung dargestellt. Ein Produkt kann zum Beispiel für zwei der drei Faktoren – Zeit, Kosten oder Qualität – optimiert werden, aber selten für alle drei gleichzeitig.

Im Allgemeinen wird geprüft, ob die drei Hauptmerkmale – Form, Eignung und Funktion (d. h. Aussehen, mechanische/thermische Kompatibilität und elektrische/kommunikative Leistung) – erfüllt sind, um zu bestimmen, ob es sich um Leverage oder direkte Wiederverwendung handelt. Auch dies ist ein Bereich, in dem sich sorgfältige Verhandlungen und detaillierte Gespräche mit Teampartnern und Lösungsanbietern sehr lohnen, da einige Organisationen strikte Vorgaben für die Einhaltung von Form/Eignung/Funktion haben.

Ein Beispiel: Wenn bei einer bestehenden Stromversorgung lediglich die ENABLE- oder POWER ON-Signallogik von positiv auf negativ geändert wird (High-Level- gegenüber Low-Level-Einschaltung), mag diese Änderung trivial erscheinen – sie kann jedoch eine vollständige neue Runde an Qualifizierungstests erfordern, genauso wie bei einem völlig neuen Produkt (z. B. neue Teilenummern und alle damit verbundenen Prozesse), und würde damit als Leverage eingestuft.

Noch trivialer erscheint es, ein Wort, eine Aussage oder einen Wert auf dem Etikett eines Power-Bricks zu ändern. Handelt es sich dabei jedoch um ein sicherheitsrelevantes Etikett oder werden dadurch Anforderungen an die Formatierung von Teilenummern oder an eindeutige Identifikationsinformationen im EEPROM verändert, können neue regulatorische Prüfungen erforderlich werden und/oder Fertigungsprozesse müssen angepasst werden. Damit wäre die ursprüngliche Form/Eignung/Funktion ebenfalls verletzt. Nachdem man den Prozess der Verhandlung des Systemleistungsbudgets überstanden hat, kann man sich nun gezielt darauf konzentrieren, Lösungen vorzuschlagen, um dieses Budget in die Realität umzusetzen. Angesichts des Zeit- und Kostendrucks wird sich der anfängliche Fokus typischerweise auf bewährte Lösungen oder Teilschaltungen (auch Makros genannt) richten. Hier kommen Leverage und auch direkte Wiederverwendung besonders zum Tragen. Es ist entscheidend sicherzustellen, dass tatsächlich solide, bewährte Lösungen genutzt werden – und nicht einfach aus betrieblichem Druck heraus recycelt wird (mit einer unten genannten Ausnahme).

Dies unterstreicht die Bedeutung, Zeit und Ressourcen für die Themen bereitzustellen, für die man oft behauptet, „keine Zeit/Ressourcen“ zu haben. Blindes Recyceln bedeutet auch, sämtliche Fehler oder Schwächen des Originaldesigns zu übernehmen. Tatsächlich kann eine Organisation, die streng auf die Einhaltung von Form/Eignung/Funktion achtet, verlangen, dass eine Second-Source-Komponente absichtlich einen bekannten Fehler oder Defekt nachahmt, um bei Multisourcing-Lösungen die Abwärtskompatibilität zu wahren (HINWEIS: Multisourcing ist ein eigenes Thema und sollte vor der Implementierung sorgfältig auf Vor- und Nachteile geprüft werden – dies liegt jedoch außerhalb des Rahmens dieses Whitepapers).

Die Vernachlässigung von iterativen Verbesserungen von einer Produktgeneration zur nächsten kann die betriebliche Effizienz erheblich beeinträchtigen. Umgekehrt kann die Wiederverwendung eines bewährten und vertrauenswürdigen Designs mit bekannten Leistungsmerkmalen die Entwicklung erheblich beschleunigen (Stichwort: Plattformdesign-Ansatz). Es gibt viele etablierte, zuverlässige Stromversorgungsanbieter, die diese Strategie unterstützen – insbesondere bei der Verwendung von COTS-Stromversorgungsmodulen.