Stilisierter Kopf und Gehirn aus Verbindungen.

Grundlage digitaler Anwendungen sind oft analoge Daten, die von Sensoren kommen, weshalb Mixed-Signal-Design gerade an Bedeutung gewinnt. (Bild: Farnell/Shutterstock)

| von Cliff Ortmeyer

Analoge Schnittstellen werden jetzt mehr denn je benötigt, da es sowohl immer mehr Sensoren zur Erfassung und Verarbeitung von Umgebungssignalen als auch immer mehr Stelleinrichtungen zur Ausführung von Änderungen gibt. Beispielsweise beruht die Leistungsbereitstellung auf der Fähigkeit, Änderungen elektrischer und magnetischer Felder genau vorherzusagen und zu messen. Dies erfolgt in Kombination mit Elektronik, die dabei die erforderlichen Ströme mit hoher Geschwindigkeit schaltet. Darum ist die Schnittstelle zwischen dem Digitalen und dem Analogen von entscheidender Bedeutung. Für eine gute Funktionsweise der Schnittstelle müssen Entwickler die Endanwendung berücksichtigen, um so sicherzustellen, dass keine Feinheiten in den analogen Signalen verloren gehen.

Da die Schnittstelle zwischen analoger und digitaler Welt so wichtig und anwendungsabhängig ist, bleibt das Mixed-Signal-Design ein Bereich, der eine starke Spezialisierung erfordert. Auch wenn es oft eine überwältigende Produktpalette für ein bestimmtes Design zu geben scheint, müssen doch unbedingt die genauen Anforderungen der Endanwendung berücksichtigt werden. Die Suche nach dem richtigen Bauelement für das Projekt kann eine Herausforderung sein und Entwickler müssen für die optimale Wahl alle Optionen berücksichtigen.

In der Vergangenheit war es oft sinnvoll, eine große Anzahl von diskreten Bauelementen zu wählen und sie auf der Leiterplatte zu integrieren. Die Marktanforderungen bedeuten nun jedoch, dass der Käufer hochintegrierte Bausteine benötigt, die je nach Funktionalität, Größe, Stromverbrauch und Genauigkeit spezifische Anforderungen erfüllen. Beispielsweise ist bei IoT-orientierten Entwicklungen die Platzierung von Sensoren für die Systemarchitektur genauso wichtig wie die Leistung der Front-End-Signalaufbereitungs- und -umwandlungsschaltungen.

In der Regel ist es notwendig, Wandler möglichst nahe am Eingang anzuordnen, um Signalverschlechterungen durch analoge Störungen zu vermeiden. Das zeigt sich in Umweltüberwachungsanwendungen wie etwa der Kühlkettenlogistik und der Überwachung von Rechenzentren, bei denen mehrere Temperatursensoren notwendig sind, die vergleichsweise weit voneinander entfernt platziert werden. Die Verwendung eines kompakten Wandlers und eines Frontends, die kostengünstige digitale Übertragung an einen Hub unterstützen, ist unerlässlich.

Ein solcher Fall wäre die Verwendung eines 1-Draht-Kommunikationsprotokolls. Der MAX31825 von Maxim Integrated bietet diese notwendige digitale Übertragung bei minimalen Kosten auch für große Systeme. Mit der Schnittstelle lassen sich bis zu 64 Sensoren mit einem seriellen 64-Bit-Code anschließen und adressieren. Der Temperatursensor bietet die Möglichkeit, Temperaturen mit einem Auflösungsfaktor von bis zu 12 über einen Bereich von -45 °C bis +145 °C auszulesen.

Sensoren und maschinelles Lernen im Mixed-Signal-Design

Andere Systeme müssen in der Lage sein, eine Vielzahl von Sensoreingängen zu unterstützen, damit IoT-Systeme Umgebungsbedingungen zuverlässig erkennen und die bereitgestellten Informationen intelligent verarbeiten können. Wenn ein Sensorknoten die Daten untersuchen kann und nur signifikante Änderungen meldet, wird die für den Statusbericht an die umgebenden Systeme erforderliche Kommunikationsbandbreite deutlich reduziert. Dadurch lässt sich wiederum sicherstellen, dass der Energieverbrauch auf einem Minimum bleibt, da HF-Übertragung und -Empfang einen erheblichen Anteil des Energieverbrauchs von IoT-Knoten ausmachen. Erfolgt die Datenverarbeitung innerhalb des Knotens effizient, kann das die Batteriedauer erheblich verlängern. Mittlerweile kommt es auch vor, dass Entwickler maschinelles Lernen in Mixed-Signal-Bausteine integrieren.

Besonders wichtig ist der Einsatz von Sensorfusion und maschinellem Lernen bei Systemen, die Positionen und Verläufe erfassen müssen. Die Kombination hilft im Umgang mit verrauschten Signalen aus Vibrationen und anderen Fehlerquellen. Auch wenn es möglich ist, High-End-Mikrocontroller und -Datenwandler zu kombinieren, um die erforderlichen Funktionen bereitzustellen, gibt es Bausteine, die beides unterstützen, beispielsweise der iNemo von ST Microelectronics. SiP-Produkte (System-in-Package) kombinieren Beschleunigungsmesser, Gyroskope und Magnetometer mit einem maschinenlernbaren Code, sodass das System die Position in vielfältigen Anwendungen wie Asset-Tracking und Robotik zuverlässig bestimmen kann. Die Integration trägt dazu bei, den Stromverbrauch auf ein Minimum zu beschränken, indem die Anwendung eine Host-MCU für lange Zeiträume in Standby versetzt, ohne die Genauigkeit oder die Leistungsfähigkeit im Vergleich zu dauerhaft eingeschalteten Systemen zu beeinträchtigen. Die Kombination von Funktionen im iNemo zeigt, wie Integration und die die Erfahrung eines spezialisierten Herstellers Funktionalität und Leistung steigern.

Microchips auf Leiterplatten
In heutigen IoT-Designs sind Mixed-Signal-Bauteile Standard; allerdings variieren Funktionen und Leistung erheblich. (Bild: Farnell/Shutterstock)

Stromversorgungen im Mixed-Signal-Design

Neben dem intelligenten Mixed-Signal-Design unterstreichen die Größe und das Erfordernis eines energiesparenden Betriebs bei IoT-Sensorknoten die Bedeutung einer effizienten Stromversorgung und Integration. Experten für Leistungsbausteine wie On Semiconductor haben gezeigt, dass es möglich ist, zahlreiche Funktionen auf kleinem Raum unterzubringen. Das FAN54120 ist zum Beispiel das kleinste Batterieladegerät, das derzeit auf dem Markt erhältlich ist. Bei einem Ladegerät ist keine Benutzerinteraktion oder aktive Überwachung durch einen Host-Mikrocontroller erforderlich. Das Ladegerät ist für einzellige Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Batterien sowie für Aufgaben wie die Wiederaufladung leerer Batterien konzipiert. Diese Funktion ist zusätzlich zu den Vorlade-, Schnelllade- und Erhaltungsladezuständen vorhanden, die bei Batterien dieser Zusammensetzung erforderlich sind, wobei jeweils ein äußerst niedriger Batterie-Entladestrom von weniger als 120 nA ermöglicht wird.

Für Systeme, die zwei Zellen in Reihe unterstützen und ihre Spannungen ausgleichen müssen, hat MPS das MP2672 entwickelt. Um mehr Flexibilität zu erreichen, lässt sich das Gerät mithilfe von Hardware-Pins oder von Software programmieren, die auf einer Host-MCU ausgeführt wird, wobei die Übertragung der Befehle über den I2C-Bus erfolgt. Aufgrund einer NVDC-Leistungsstruktur kann ein System während des Ladevorgangs mit einer schwachen Batterie weiter betrieben werden. Dieser Prozess regelt den Systemausgang gemäß der Schwellenspannung vor dem Laden, während des Ladevorgangs. Viele Systeme benötigen eine Vielzahl von Versorgungseingängen, die mit unterschiedlichen Spannungen arbeiten, ohne dabei Kompromisse bei Größe, Gewicht und Energieeffizienz einzugehen. Mit einer Höhe von 2 mm bietet das MPM3695-10 von MPS einen flachen DC/DC-Wandler, der sich auf der Rückseite der Leiterplatte montieren lässt, aber trotzdem bis zu 10 A Strom liefert.

Ein weiteres Beispiel für die intensive Integration, die derzeit im Stromversorgungsdesign umgesetzt wird, ist der MCP19123 von Microchip Technology, der eine effiziente Stromversorgung mit einem chipinternen Mikrocontroller auf Basis der 8-Bit-PIC-Architektur kombiniert. Dadurch kann der Baustein eine Vielzahl von Überwachungs- und Verwaltungsfunktionen innerhalb des Systems ausführen. Der analoge Abschnitt selbst ist hochgradig konfigurierbar, wobei ein programmierbarer Verstärker im Rückkopplungsweg des Abwärtswandlers als einstellbare Spannungsreferenz verwendet wird. Neben der Stromversorgung umfasst der Baustein mehrere Timer und einen Temperatursensor zur Zustandsüberwachung des Systems.

Greifzange fasst Mikrochip
Den Kern vieler IoT-Anwendungen bilden Analog-Mixed-Signal-Wandler, aber auch Bauteile zur Stromversorgung beziehungsweise passive Komponenten sind essenziell. (Bild: Farnell/Shutterstock)

Neue Angebote bringen Mixed-Signal-Design zusammen

Angesichts des anhaltenden Größen-, Kosten- und Integrationsdrucks wird die analoge Schaltungstechnik auch in Zukunft mit der digitalen Verarbeitung kombiniert, was zu einer enormen Innovationskraft in der Lieferkette führt. Entwickler müssen bei der Suche nach Lösungen für ihr nächstes Projekt ihren Blick über die größten und bekanntesten Lieferanten von analogen Produkten hinaus richten. Distributoren mit Design-In-Support wie Farnell können die Bedürfnisse des Kunden analysieren und ihm die richtige Richtung weisen.

Autor

Cliff Ortmeyer
Global Head of Technical Marketing bei Farnell

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