Optimierung des Systemdesign-Prozesses

Stromversorgungslösungen gehören in der Regel auch zu den teuersten Komponenten in der Systemmaterialliste (BOM).

1. Einleitung

Es gibt viele Gründe, den Designprozess zu optimieren. Insbesondere, wenn es um das Teilsystem der Stromversorgung geht, das oft eher als lästige Notwendigkeit und nicht als Teil hochwertiger Systemfunktionen angesehen wird. Stromversorgungslösungen gehören in der Regel auch zu den teuersten Komponenten in der Systemmaterialliste (BOM). Diese Gründe sowie das Vertrauen, das mit der direkten Wiederverwendung eines qualifizierten Designblocks oder eines handelsüblichen Leistungsmoduls einhergeht, sind die Hauptmotivatoren für die Umsetzung einer Strategie des umfassenden Leverage oder der weitgehenden Wiederverwendung von einem Projekt zum nächsten.

2. Eine Betrachtung des typischen Designprozesses für Stromversorfungslösungen

Um die Beweggründe für das Leverage oder die Wiederverwendung von Stromversorgungslösungen richtig einschätzen zu können, nimmt man sich am besten einen kurzen Moment, um den typischen Designprozess zu untersuchen und die Möglichkeiten/Lücken zu ermitteln, die den Anstoß für solche Strategien geben. Ob Sie direkt an der Stromversorgung beteiligt sind oder Stromversorgungs-Designleistungen in Anspruch nehmen: Wenn der folgende, verallgemeinerte Prozess Ihre persönlichen Erfahrungen widerspiegelt, dann geht es anderen vermutlich genauso wie Ihnen.

Abbildung 1 zeigt die typischen allgemeinen Schritte, die ein Team unternehmen kann, um von einem Konzept zu einem Systemleistungsbudget und physischen/umweltbedingten Randbedingungen zu gelangen. Gut, das ist jetzt nicht ganz offiziell. Aber auch wenn es ein wenig scherzhaft gemeint ist, findet sich darin eine ganze Menge Wahrheit. Der "magische" Teil steht für die unrealistischen Anforderungen, die sich aus einem stark aufgeblähten Systemleistungsbudget ergeben, das mathematisch Wirkungsgrade/Leistungsdichte/ Transientenreaktionen erfordern kann, die entweder für die jeweilige Produktklasse höchst unpraktisch sind oder selbst im neuesten Stand der Technik (SOTA) schlichtweg nicht verfügbar ist.
Rx Der "offizielle" Designprozess für Stromversorgungen
  • Schritt 1: Alle Systembeteiligten (in der Regel ohne den Nutzer der Stromversorgung) kommen zusammen und entwerfen ein System.
  • Schritt 2: Bestimmen des Leistungsbudgets des Systems durch Summieren der Maxima aller Hauptlasten im System.
  • Schritt 3: Bestätigen der Machbarkeit mit dem Beteiligten für Mechanik/Thermik.
  • Schritt 4: Liefern Sie dem Verantwortlichen für die Stromversorgung das Leistungsbudget, die Volumenbeschränkungen und den Projektzeitplan.
  • Schritt 5: Magie?!? (das heißt: vergessen Sie Physik und Realität)

Abb. 1: Der "offizielle" Designprozess für Stromversorgungen, mit freundlicher Genehmigung von PowerRox
Eine wichtige Erkenntnis ist, dass ein Stromversorgungsnutzer zwar für die Outputs zuständig ist, aber selten ein integraler Bestandteil des Prozesses ist, der zu den Inputs geführt hat. Angesichts eines Spezialgebietes, das einen multidisziplinären Hintergrund erfordert (der oft langjährige Praxiserfahrung verlangt), ist es schon erstaunlich, wie selten die Perspektive des künftigen Nutzers der Stromversorgung schon in einem frühen Stadium des Prozesses für ein Teilsystem erfragt wird, das in der Regel ein primärer, ausschlaggebender Faktor für die Optimierung von Größe, Gewicht, Leistung und Kosten eines Systems (auch als die berüchtigten SWaP-C-Faktoren bekannt) ist. Da keine Elektronik ohne Strom funktioniert, müssen auch Leistung und Zuverlässigkeit auf der Liste stehen. Als Sahnehäubchen auf all diesen idealistischen Forderungen kommt noch ein Projektzeitplan hinzu, der auf einen perfekten, fehlerfreien Entwicklungsprozess zugeschnitten ist (minus 10%, um das neue Produkt noch schneller auf den Markt zu bringen als das alte).

Nun folgt der Verhandlungsprozess. Ingenieure sind darauf trainiert, Probleme zu lösen. Wenn sie also mit einer Reihe schwieriger Probleme konfrontiert werden, so ist ihr erster Reflex, nach Lösungen zu suchen (das heißt: Gibt es ein vorhandenes Teil, das diese Leistungsdichte und diesen Platzbedarf erfüllen kann? Soll die Luft von vorn nach hinten oder von hinten nach vorn strömen, um die thermischen Rahmen des Systems zu erfüllen? Und so weiter und so fort...). Schon dieser Ausgangspunkt ist die erste Gelegenheit, innezuhalten und sich eingehend mit dem Systembudget und seiner Entstehung zu befassen. Wie oft ziehen zum Beispiel alle Lasten (insbesondere die größeren) ihren maximalen Strom gleichzeitig? Sicher gibt es viele Teilsysteme, die so konzipiert sind, dass sie mit einem anderen Teilsystem gegenphasig sind (z. B. die klassischen Beispiele für den Strombedarf von Rechen- und Speicherfunktionen oder die Betriebszyklen Schlafen/Wachen/Senden), so dass die Summe der Maxima (die in der Regel aus Datenblättern abgeleitet werden, die bereits von einem unrealistischen Maximum mit Sicherheitsmarge ausgehen) nur äußerst selten für ein aggregiertes Leistungsbudget Sinn ergibt. Betrachten wir jeden Berührungspunkt dieses Leistungsbudgets vom Anfang bis zur Fertigstellung. Jeder Beteiligte wird mit Sicherheit auch seine eigenen Margen gemäß seinen eigenen Vorstellungen hinzufügen, was sich am Ende zu einer gewaltigen Zahl summiert. Diese zusätzlichen Speckschichten kosten eine Menge Geld und Ressourcen und führen zu den unrealistischsten Betriebsszenarien selbst für die extremsten Worst-Case-Fälle der Nutzungsmodellierung.

Ein weiterer wichtiger Punkt im Kampf gegen aufgeblähte Systemleistungsbudgets ist zu wissen, wo die größten Chancen für eine Budgetoptimierung bestehen. Beginnen Sie mit den größten, anspruchsvollsten Lasten im System und sprechen Sie mit den maßgebenden Beteiligten, die am besten verstehen, was die Last wirklich an Leistung benötigt. Nutzen Sie dafür nach Möglichkeit Daten, die wirklich charakteristisch sind. Das wird wahrscheinlich die Tür für die Implementierung intelligenter Leistungsmanagement (IPM)-Techniken aufstoßen, wie z. B. die Zusammenlegung von Niederspannungs-Stromschienen, Lastverteilung/-abwurf und kurzfristige Leistungszuteilung. IPM ist eine "Kombination aus Hardware und Software, die die Verteilung und Nutzung von elektrischer Leistung in Computersystemen und Rechenzentren optimiert" [1]. Obwohl der Begriff für Anwendungen in Rechenzentren geprägt wurde, ist er ziemlich universell anwendbar, da es sich dabei eher um eine Denkweise im Designansatz handelt als um alles andere. So kann beispielsweise ein Wechsel der Herangehensweise an die Architektur des Stromversorgungs-Teilsystems von einer "immer eingeschaltet"- zu einer "immer verfügbar"- Mentalität einen Paradigmenwechsel bei den Ergebnissen der endgültigen Lösung bewirken. Dazu gehören ausführliche Gespräche mit Teammitgliedern und externen Anbietern.

Mit anderen Worten: Es ist viel einfacher, schneller und billiger, den irrwitzigen Aufwand für die Reduzierung des Systembudgets in eine REALISTISCHE Summe der tatsächlichen, schlimmsten, maximalen Leistungsbelastung (aus der Perspektive jeder einzelnen Stromversorgung) zu stecken, als all den Schweiß in den Versuch zu investieren, die Physik zurechtzubiegen und die verfügbaren Komponenten an realitätsferne Vorstellungen anzupassen. In Anbetracht des ständigen Zeit- und Kostendrucks ermöglicht diese Strategie einen weitaus annehmbareren Prozess für die Verhandlungen zwischen den Beteiligten im Team und die Suche nach einem pragmatischen Gleichgewicht zwischen Zeit, Kosten und Qualität. Diese unvermeidlichen Kompromisse sind untrennbar miteinander verbunden, wie sehr wir uns auch wünschen, sie wären es manchmal nicht, wie die folgende Abbildung zeigt. Ein Produkt kann zum Beispiel entweder auf Zeit/Kosten/ Qualität optimiert werden, ohne dass die beiden anderen Faktoren berücksichtigt werden.
Es ist wichtig, den Unterschied zwischen Leverage und Wiederverwendung deutlich zu machen, wenn man Programmmanagern oder externen Anbietern seine Anforderungen mitteilt, da beide Begriffe etwas sehr Unterschiedliches bedeuten können, aber auch in einer Weise austauschbar gebraucht werden können, die zu negativen Auswirkungen auf das Programm und/oder die Lösung führt, wenn sie falsch kommuniziert werden. Leverage meint, auf eine bestehende Lösung zurückzugreifen und kleinere Aspekte (z. B. Werte passiver Komponenten, Signal-/Logik-/Komparatorschwellen, Kosmetik, Formfaktoren usw.) des Originals zu ändern, um eine optimale Lösung für einen ähnlichen, aber nicht identischen Anwendungsfall zu erhalten.

In diesem Zusammenhang ist der Begriff "“semi-custom”" eine weitere gängige Bezeichnung für Leverage. Diese Unterscheidung wird besonders deutlich, wenn man mit einem Komponentenanbieter über ein "“fully-custom”"-Design (z. B. von Grund auf neu) im Vergleich zu einem "semi-custom"-Design spricht, das wahrscheinlich eine Modifikation einer handelsüblichen Standardlösung (COTS) ist, da es vermutlich gewaltige Unterschiede zwischen beiden im Hinblick auf Preis (Komponenten und einmaliges Engineering oder NRE) und Zeit gibt.


Abb. 2: Das Zeit/Kosten/Qualitäts-Dreieck
Direkte Wiederverwendung bedeutet, dass ein bestehendes Design exakt kopiert wird. Im Grunde ist es dasselbe wie der Kauf von COTS-Komponenten, auch wenn das manchmal eine kleine Grauzone ist, da einige feste Designs in Wahrheit mit einer gewissen Flexibilitätsabsicht entwickelt werden können. Ein Beispiel ist die Wiederverwendung von Power-Bricks mit einem weiten Eingangsspannungsbereich oder einem programmierbaren Ausgang für verschiedene Anwendungen. Es kann auch üblich sein, eine Bauteilfamilie synergistisch zu nutzen („Leverage“), besonders, wenn es sich um Leistungsmodule handelt, die für gängige Grundflächen konzipiert sind, wobei bestimmte Moduleigenschaften (z. B. Eingangs-/Ausgangsspannungsbereich, Leistungsdichte, Stromverarbeitung, Pinbelegung, Filterung usw.) für die Anwendung optimiert werden.
Im Allgemeinen werden die drei Hauptmerkmale Form, Eignung und Funktion (d. h. Aussehen, mechanische/thermische Kompatibilität und elektrische/kommunikative Leistung) geprüft, um festzustellen, ob man auf Leverage oder Wiederverwendung setzen soll. Dies ist ein weiterer Bereich, in dem sich sehr sorgfältige Verhandlungen und ausführliche Gespräche mit Teampartnern und Lösungsanbietern auszahlen, da einige Unternehmen die Einhaltung von Form, Eignung und Funktion sehr streng definieren. Wenn man z. B. genau die gleiche Stromversorgung nimmt und ihre ENABLE- oder POWER ON-Signallogik von positiv zu negativ ändert (High-Level-Einschaltung im Vergleich zu Low-Level-Einschaltung), so mag das zu trivial erscheinen, um von direkter Wiederverwendung auf hochgradiges Leverage zu schließen. Aber die Änderung kann eine ganz neue Runde von Qualifizierungstests erfordern, genau wie ein neues Produkt (z. B. neue Teilenummern, die verwaltet werden müssen, und alles, was damit zusammenhängt), so dass dies unter die Kategorie Leverage fällt. Noch trivialer erscheint es, ein Wort oder eine Aussage oder einen Wert auf einem gedruckten Etikett eines Power-Bricks zu ändern. Aber wenn es sich dabei um ein Sicherheitsetikett handelt oder eine spezielle Formatierung der Teilenummer oder der eindeutigen Identifizierungsinformationen im elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM) erforderlich ist, dann sind möglicherweise neue regulatorische Compliance-Tests erforderlich, und/oder Herstellungsprozesse müssen so angepasst werden, dass die Form-, Eignungs- und Funktionsprüfung bestanden wird.

Nachdem man den Prozess der Verhandlung des Leistungsbudgets des Systems überstanden hat, kann man sich nun getrost darauf konzentrieren, Lösungen vorzuschlagen, um dieses Budget in die Realität umzusetzen. In Anbetracht des Zeit- und Kostendrucks werden sich die ersten Bemühungen auf bekanntermaßen erfolgreiche Lösungen oder Teilschaltungen (auch Makros genannt) konzentrieren. Hier kommen nun Leverage und auch die direkte Wiederverwendung ins Spiel. Es ist wichtig, sich auf das Leverage/die Wiederverwendung guter Lösungen zu konzentrieren und nicht einfach wegen eines betrieblichen Drucks blindlings zu recyceln (mit einer unten genannten Ausnahme). An dieser Stelle müssen wir Zeit und Ressourcen für die Dinge zur Verfügung stellen, für die "wir keine Zeit/Ressourcen haben". Blindes Recycling bedeutet auch, dass alle Fehler und Unzulänglichkeiten ebenfalls wiederverwendet werden. Wohlgemerkt: Eine Organisation, die bei ihren Form-/Eignung-/Funktionstests sehr genau ist, kann verlangen, dass eine Second-Source-Komponente absichtlich einen bekannten Fehler oder Defekt nachahmt, um die Abwärtskompatibilität bei Multisourcing-Lösungen zu wahren (HINWEIS: Multisourcing ist ein Thema für sich und sollte vor der Implementierung eingehend auf die Vor- und Nachteile untersucht werden, was jedoch den Rahmen dieses Whitepapers sprengen würde.) Die Vernachlässigung der iterativen Verbesserung von Produktgeneration zu Produktgeneration kann die betriebliche Gesamteffizienz stark beeinträchtigen. Umgekehrt beschleunigt die Wiederverwendung eines erprobten und bewährten Designs mit bekannter Leistung den Entwicklungsprozess beträchtlich (d. h. ein Plattformdesign-Ansatz). Es gibt viele etablierte, zuverlässige Stromversorgungsanbieter, mit denen man zusammenarbeiten und diese Vorteile realisieren kann, insbesondere bei COTS-Stromversorgungsmodulen.
Wenn ein Designteam an mehreren Systementwicklungen gleichzeitig und/oder in rascher Folge arbeiten muss, so verfügt es wahrscheinlich über einen griffbereiten Werkzeugkasten mit verschiedenen Stromversorgungslösungen/Teilblöcken/Produktfamilien, die für eine Handvoll Standardanwendungsszenarien geeignet sind. Dabei handelt es sich häufig um vorgefertigte, vorqualifizierte und bereits geprüfte Stromversorgungsmodule, die entweder selbst entwickelt oder von einem Stromversorgungsanbieter bezogen werden. Natürlich wird diese Strategie umgesetzt, um alle SWaP-C-Faktoren, wie oben besprochen, zu optimieren. Aber das Wichtigste ist die Minderung der Risikofaktoren, insbesondere bei kritischen/hochzuverlässigen und/oder volumenstarken Anwendungen.

Eine isolierte Stromversorgung für einen SiC-Treiber kann beispielsweise mit einem Transformator-Treiber + Transformator + Gleichrichter + LDO gebaut werden. Aber ein fertiges DC/DC-Modul (wie das RxxP1503D von RECOM mit asymmetrischen Ausgangsspannungen, die für eine optimale Gate-Treiberleistung ausgelegt sind) beschleunigt nicht nur die F&E-Phase, sondern zählt auch nur als ein einziges BOM-Bauteil und verringert die Gefahr, dass ein Fehler zu einer Beschädigung des teuren SiC-Transistors führt.

3. Rationalisierung des Systemdesignprozesses

Sie müssen wissen, wer die Stakeholder Ihres Teams sind

Das geht weit über die ursprünglichen Ingenieure, die direkt an der Systementwicklung beteiligt sind, hinaus. Dazu gehören auch Programmmanager (PMs), Lieferkettenverantwortliche, Herstellungspersonal und sogar die SW/FW-Designer. Selbst wenn man nicht sofort an sie denkt, sind einige der wichtigsten Beteiligten, mit denen man schon frühzeitig sprechen sollte, die Marketing-/Verkaufsmitarbeiter sowie alle anderen, die den direktesten Kontakt zu Kunden und/oder Endnutzern haben. Am besten ist es, Kompromisse auszuhandeln und fundierte Entscheidungen zu treffen, bevor man, am späteren Nutzer der Stromversorgung vorbei, vollendete Tatsachen schafft, wie zu Beginn dieses Whitepapers dargelegt. Vermeiden Sie Denkweisen wie „Wenn es erst mal fertig ist, werden sie‘s schon nehmen“. Wenn die Anforderungen und das Potenzial des Marktes nicht bekannt sind, bevor ein neues Projekt gestartet wird, ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Produkt ein Flop wird, viel höher.

Sie müssen Ihre Technologie kennen

Warten Sie nicht bis zum Design-Startschuss, über eine Branchenumfrage nachzudenken, um entweder den Finger am Puls des Standes der Technik zu haben und/oder veraltete Informationen aufzufrischen, die für frühere Projekte verwendet wurden. Die Bitte an Anbieter, Technologie- oder Roadmap-Updates zu geben, kann eine großartige Möglichkeit sein, sich einen schnellen Überblick zu verschaffen und die Ressourcen der Anbieter zu nutzen, um vorgeschlagene Lösungen auf ein tragfähiges Fundament zu stellen und sogar eine sofortige Wettbewerbsanalyse zu ermöglichen. Es kann viel Zeit und Mühe sparen (und das Risiko mindern, am SOTA vorbei zu entwickeln), wenn man sich die Ressourcen motivierter, externer Support-Partner zunutze macht, um die riesige Angebotslandschaft der Branche zu sondieren und daraus eine überschaubare Liste zusammenstellen, von der aus man starten kann. Die meisten Anbieter werden diese Gelegenheit ergreifen (und vielleicht sogar ein kostenloses Mittagessen anbieten), um sich frühzeitig in potenzielle Entwicklungen einzuklinken.
HINWEIS: Achten Sie immer auf die Quelle von Informationen und genießen Sie sie mit Vorsicht. Aber es unterstreicht auch die Bedeutung und den Wert des Aufbaus umfassender, funktionierender Beziehung zu wichtigen Anbietern und Dienstleistern. Im Fall von Entwicklungen, bei denen viel auf dem Spiel steht, ist der Ansatz "Der Kunde hat immer Recht" einem fruchtbaren Entwicklungsumfeld nicht dienlich. Eine kooperativere Sichtweise, bei der auch ein gewisses Risiko gemeinsam ge-tragen wird, kann die Erfolgschancen für alle Beteiligten erhöhen.

Planen Sie vor, während und nach dem Projekt

Nehmen Sie sich die Zeit, um ein "Design-Playbook" oder eine Sammlung von Erkenntnissen (auch als "Best Practices", "Golden Nuggets" usw. bekannt) durchzusehen, bevor Sie sich zu sehr in die Projekt-/Produktdefinition vertiefen. In der Regel werden die erst kürzlich aufgetretenen Probleme des letzten Projekts übersehen, weil das Team zu sehr unter Druck stand, ein Produkt auf den Markt zu bringen. Scheuen Sie sich nicht, während des Projekts eine Reihe von Teambesprechungen zu arrangieren (am besten einmal pro Hauptphase/Meilenstein des Projekts), insbesondere zum Zweck von Überprüfungen des Design for Anything (DFx), der Sicherheit/Konformität (einschließlich im Hinblick auf Tests von Stromleitungen, elektromagnetischen Störungen oder EMI) und des Nutzererlebnisses. Der letzte Punkt ...

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