Stories of Manufacturing#07
Die Zukunft der Stromversorgung wird durch die Kombination analoger und
digitaler Technologien geprägtLogiCoA™ Stromversorgungslösungen
Die Stromversorgungstechnik steht vor einem Umbruch
Nach seinem Elektrotechnik-Studium trat Ichiro Yokomizo vor über 30 Jahren bei ROHM ein. Derzeit arbeitet er als Field Application Engineer (FAE) und war seit seinem Einstieg in das Unternehmen an der Entwicklung zahlreicher LSI-Produkte beteiligt.
Stereo-Kopfhörer, Mobiltelefone, USB-Schnittstellen, E-Books – sein beruflicher Weg, der stark auf Unterhaltungselektronik ausgerichtet ist, spiegelt eindrucksvoll die Entwicklung der japanischen Elektronikindustrie insgesamt wider.
FAE Division 1
System Solutions Engineering Headquarters Manager
Ichiro Yokomizo
Unser Ziel ist es, stets Produkte zu entwickeln, die sich erfolgreich verkaufen lassen – mit anderen Worten, Produkte zu schaffen, die genau den Marktanforderungen entsprechen.
In diesem Sinne hat er bereits an einer Vielzahl von Projekten mitgewirkt und sich aktiv in die Entwicklung innovativer Lösungen eingebracht. Seine Begeisterung für dieses Projekt ist dabei besonders spürbar
Diese Branche hat den Markt mit innovativen Technologien und Produkten geprägt, die kontinuierlich neue Bedürfnisse schaffen und bestehende Anforderungen neu definieren.
Ichiro Yokomizo hat die Entwicklung der Branche aufmerksam begleitet und konzentriert sich nun darauf, neue Stromversorgungslösungen zu entwickeln, insbesondere für industrielle Geräte.
Im Mittelpunkt steht die Marke LogiCoA™.
Diese Technologie zielt darauf ab, die Energieeffizienz zu steigern – ein zentrales gesellschaftliches Anliegen – indem sie Lösungen bietet, die in einem breiten Spektrum von Anwendungen der Leistungselektronik zum Einsatz kommen.
ROHM hat sich dabei zunächst auf Stromversorgungssysteme konzentriert, die für eine Vielzahl elektrischer Geräte unverzichtbar sind, und sein umfassendes Know-how in der analogen Leistungselektronik auf ein neues Niveau gehoben.
Der Schlüssel zu diesem Durchbruch lag in der „Hybridisierung digitaler Elemente“, mit dem Ziel, die Leistungsfähigkeit analoger Schaltungen zu maximieren.
Markttrends in der digitalen Stromversorgung
Merkmale und Herausforderungen von analogen und digitalen Leistungsregelungsschaltungen
Wie in der obigen Vergleichstabelle ersichtlich, stößt die analoge Regelung, die hauptsächlich im Leistungsbereich von 50 W bis 1 kW eingesetzt wird, an ihre Grenzen, wenn es um die Umsetzung fortschrittlicher Funktionen geht. Digitale Regelungen hingegen, die typischerweise bei Anwendungen mit höherer Leistung verwendet werden, sind mit Herausforderungen wie hohen Kosten und einem erhöhten Stromverbrauch konfrontiert.
Die Nachfrage nach Stromversorgungen im kleinen bis mittleren Leistungsbereich, die etwa 70 % des Marktes ausmachen, wird voraussichtlich weiter wachsen, insbesondere im Industriebereich.
Typische Anwendungen umfassen Stromversorgungsgeräte für Industrieroboter, Fabrikautomation, PCs und Server, die derzeit jedoch überwiegend analog gesteuert werden. Genau auf dieses Marktsegment zielt LogiCoA™ ab.
Marktgrößenprognose für Stromversorgungssysteme im niedrigen bis mittleren Leistungsbereich für Industrieanlagen (ca. 50 W bis 1 kW)
Stromverbrauch und Kostenbarrieren
Yokomizo:
„Die langsame Verbreitung der digitalen Stromversorgungssteuerung ist vor allem auf den höheren Energieverbrauch und die höheren Kosten zurückzuführen.
Beide Faktoren können im Vergleich zur analogen Regelung bis zum Zehnfachen ansteigen."
Bei digitalen Steuerstromversorgungen werden die Informationen über die Ausgangsspannung direkt an die MCU übertragen, wo die CPU oder DSP kontinuierlich mit hoher Geschwindigkeit arbeitet, um den Stromverbrauch zu optimieren. Dieser Ansatz erfordert jedoch eine hochentwickelte MCU, was wiederum zu einem erhöhten Energiebedarf führt.
Die Bewältigung dieser Herausforderung stellt eine erhebliche Aufgabe für Ingenieure dar, die im Bereich der Stromversorgung und Leistungselektronik tätig sind.
Bei Schaltnetzteilen überwacht eine MCU die Ausgangsspannung und steuert die Leistungsgeräte, um eine konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.
Herausforderungen bei analogen Stromkreisen
Eine weitere langjährige Herausforderung für Ingenieure, die mit analogen Leistungs-ICs arbeiten, sind die Schwankungen der Bauteileileigenschaften. Unterschiede in den Eigenschaften von Schlüsselkomponenten in Leistungstopologien, wie Leistungsbauelemente, Gate-Treiber, Widerstände, Induktoren und Regler, tragen erheblich zur Variabilität analoger Schaltungen bei.
Eine gängige Lösung besteht darin, eine „Designmarge“ zu implementieren, was bei analogen Steuerschaltungen häufig bedeutet, dass ein zusätzlicher Nennstrom eingeplant wird.
Industrial Consumer Power & Motor FAE Department
FAE1 Division
System Solutions Engineering Headquarters Engineer
Kenji Funatani
Ich denke oft an das Sprichwort: "Menschen verpassen Gelegenheiten häufiger als Gelegenheiten Menschen verpassen".
Vielleicht liegt der Schlüssel zu echten Durchbrüchen in Beharrlichkeit und einem unermüdlichen Streben nach Wissen und Forschung.
Funatani:
„Eine einfache Methode besteht darin, die Größe und Durchbruchspannung der Bauteile zu erhöhen oder eine Variationskorrektur wie Trimmung einzubauen. Diese Ansätze führen jedoch zwangsläufig zu einem höheren Platzbedarf und steigenden Kosten.
Werden solche Maßnahmen hingegen nicht umgesetzt, leidet die Genauigkeit und Leistungsfähigkeit der Schaltung."
Die Funktion, die dieses Problem mit Hilfe der Digitaltechnik löst, ist die "Kalibrierung".
* Eine Funktion, die es der MCU ermöglicht, Daten zu speichern, um Abweichungen bei einzelnen Schaltkreisen und montierten Teilen zum Zeitpunkt des Versands zu kompensieren und sicherzustellen, dass verschiedene Schutzfunktionen mit geeigneten Werten arbeiten.
Funatani:
„Die Kalibrierung eliminiert zusätzliche Margen und optimiert die Komponenten.
Das bedeutet, dass die Größe und Leistung der Bauteile reduziert werden können.
Im analogen Schaltungsteil des Netzteils fallen beispielsweise große Transformatoren und Induktoren in diese Kategorie.
Bereits der Verzicht auf diese Designmargen würde einen erheblichen Fortschritt darstellen."
Beispiel für die Reduzierung der Induktorgröße durch die Kalibrierungsfunktion
Unser Ziel ist es, die Produktleistung zu optimieren, indem wir das volle Potenzial jedes Bauteils und des gesamten Stromkreises ausschöpfen – ohne durch Designmargen eingeschränkt zu werden.
Dieser Konflikt, den viele Ingenieure kennen, hat sich allmählich zu einer treibenden Kraft für einen neuen Ansatz entwickelt: die Integration digitaler Elemente, um die Leistungsfähigkeit analoger Schaltungen auf ein neues Niveau zu heben.
Auf dem Weg zu einer digital-analogen Konvergenz
Yokomizo:
„Die wichtigste Voraussetzung ist, dass Stromverbrauch und Kosten mit denen analoger Systeme vergleichbar bleiben, während gleichzeitig die fortschrittlichen Funktionen der Digitaltechnik genutzt werden.
Einfach gesagt, besteht das Ziel der LogiCoA™-Leistungslösung darin, ein hybrides Schaltungsdesign zu entwickeln, das die Vorteile von analoger und digitaler Technik optimal miteinander vereint. Dies ist ihr zentraler Ansatz und ihr grundlegender Leitgedanke."
„Selbst wenn ich nicht in dieser Funktion tätig wäre, würde ich dennoch an der Entwicklung von elektronischen Geräten arbeiten, die ich selbst gerne nutzen würde“, sagt er.
„Vielleicht bin ich im Herzen einfach ein leidenschaftlicher Elektronik-Enthusiast."
Wie können die Vorteile analoger und digitaler Technologien effektiv miteinander kombiniert werden?
Für dieses Projekt wurden ausgewählte Ingenieure aus dem Unternehmen sowie externe Experten zusammengebracht.
Dank dieser Zusammenarbeit machte die Entwicklung rasche Fortschritte.
Industrial Consumer Power & Motor FAE Department
FAE1 Division
System Solutions Engineering Headquarters Engineer
Ryo Kato
Er führt die experimentellen Arbeiten ruhig und konzentriert aus. Er ist stolz und fühlt ein tiefes Verantwortungsbewusstsein, von Anfang an an diesem Projekt mitgewirkt zu haben.
Kato:
„Unsere erste wichtige Entscheidung war der Einsatz einer analogen Rückkopplungsregelung. Dieser Ansatz ermöglichte es uns, den Stromverbrauch und die Kosten deutlich zu reduzieren.“
„Im digitalen Bereich lag der Fokus von Entwicklung und Design auf der Verbesserung der Stromversorgungsleistung, insbesondere in den Bereichen: ① Überwachung des Stromversorgungsstatus, ② Optimierung der Zeitsteuerung der Schaltelemente und ③ Kalibrierung. Bereits zu diesem Zeitpunkt hatten wir die begründete Erwartung, kostengünstige MCUs gezielt optimieren und anpassen zu können.“
MCU x Schaltnetzteil
Die Lösung bestand in der Entwicklung von Schaltungen und Programmen, die eine nahtlose Ergänzung zwischen der Universal-MCU und den analogen Schaltungen ermöglichen.
Dabei werden Signale generiert, die Leistungsgeräte basierend auf der vom Analogkompensator empfangenen Ausgangsspannung steuern.
Diese entscheidende Funktion wird von der LogiCoA™-MCU von ROHM übernommen, die eine proprietäre, innovative Technologie integriert.
Der Kern der LogiCoA™-Lösung spiegelt die Technologien und das umfassende Know-how von LAPIS Technology wider, einem Unternehmen, das ROHM im April 2024 übernommen hat.
Es gibt eine ereignisgesteuerte Regelung, die die nachfolgenden Signale auf der Grundlage sich dynamisch ändernder Signale verwaltet. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Möglichkeit, zwei Topologien gleichzeitig zu steuern.
Zu Beginn des Projekts gab es zahlreiche Rückschläge, da analoge Stromversorgungen und MCUs – obwohl beide zur Halbleiterindustrie gehören – zwei deutlich unterschiedliche Fachbereiche darstellen.
Inuzuka:
„Ich hatte bisher keine Erfahrung in der Entwicklung von Stromversorgungslösungen. Als ich zum ersten Mal davon hörte, dachte ich nur: Stromversorgungssteuerung mit einer MCU? Das war für mich ein großes Rätsel.
Obwohl ich von Anfang an Teil des Projekts war, waren meine Kenntnisse über Stromversorgungslösungen begrenzt. Ich hatte keine klare Vorstellung davon, wie die von mir entwickelten Schaltungen tatsächlich genutzt würden. Zudem war ich unsicher, wie gut diese MCU bei den Kunden ankommen würde.“
MCU Product Development Division,
LAPIS LSI Segment, LSI Business Headquarters Deputy Chief Engineer
Kotaro Inuzuka
Er setzt alles daran, seine umfangreichen Erfahrungen aus seiner Zeit bei Oki Electric und LAPIS Semiconductor in der MCU-Entwicklung gezielt einzubringen, um die ROHM-MCUs weiter voranzubringen.
Mit fortschreitender Entwicklung traten verschiedene Herausforderungen der Stromversorgungsbranche deutlich zutage, wie etwa Designmargen, Energieeffizienz, Unterstützung von Multifunktionalität (z. B. Protokollierung und Kommunikation), Wiederverwendbarkeit und Serialisierung von Systemen sowie kundenspezifische Anpassungen.
Durch die systematische Bewältigung dieser Herausforderungen mithilfe von Hybrid- und Digitaltechnologien und der Erkenntnis, dass die Ergebnisse den Kunden als Referenzdesigns angeboten werden können, wichen schließlich alle Zweifel.
Inuzuka:
„Am meisten beeindruckte mich die Aussage eines Kunden: ‚Das wird die Welt der Stromversorgungsgeräte revolutionieren!‘ Diese Worte haben meine Motivation enorm gesteigert.“
Bereitstellung als Referenzdesign
Im April 2024 kamen LogiCoA™-Lösungen auf dem Markt:
● Das Herzstück ist die LogiCoA™-Leistungssteuerungs-MCU
● Eine Stromversorgungstopologie, die alles von Stromversorgungsgeräten bis hin zu analogen Kompensatoren in einen zusammenhängenden Schaltkreis integriert
● <RMOS> Ein neu entwickeltes Betriebssystem zur Steuerung der Stromversorgung, das den Arbeitsaufwand für die Benutzer erheblich reduziert
Diese drei Komponenten werden in Form eines optimierten Referenzdesigns angeboten.
Um den Designaufwand für Hersteller von Stromversorgungen und -geräten erheblich zu reduzieren, bieten wir jetzt auch Onboard-Simulationsumgebungen und Referenzboards an, die auf verschiedene Leistungstopologien zugeschnitten sind.
Die Vorteile dieser Technologie sind so umfangreich, dass sie auf dieser Seite nicht vollständig dargestellt werden können.
Sie birgt ein enormes Potenzial, das hier nur ansatzweise vermittelt werden kann. Wir laden Sie ein, auch unsere speziellen Themenseiten zu besuchen, um mehr zu erfahren.
Verwandte Links
LogiCoA™ Solution Website
(*in Kürze)
Wer profitiert von der Entwicklung der Stromversorgungen?
Sebata:
„Einer der größten Vorteile der Digitaltechnik für unsere Kunden ist die Möglichkeit, Betriebsdaten aufzuzeichnen.
Durch die kontinuierliche externe Überwachung des Schaltkreises möchten wir Optimierungsvorschläge entwickeln, die auch den Betrieb der Stromversorgung selbst einschließen.“
MCU Product Development Division,
LAPIS LSI Business Unit, LSI Business Headquarters
Kohei Sebata
Er gehört zu den jüngsten Mitgliedern des Projekts und hat in mehreren Bereichen herausragende Beiträge geleistet. Seine Begeisterung für die Halbleiterfertigung treibt ihn an und dient ihm als stetige Motivation für seine Arbeit.
Kohei Sebata, Ingenieur für Mikrocontroller und Betriebssysteme, erläutert die konkreten Vorteile der Digitaltechnik.
Durch seine enge Zusammenarbeit mit Stromversorgungssystemen erkannte er die enorme Designbelastung, mit der Hersteller von Stromversorgungen und Geräten täglich konfrontiert sind.
Sebata:
„Wenn die Spezifikationen für jedes Produkt unterschiedlich sind, müssen Kunden häufig die Konfiguration sowie die Konstanten der Steuereinheit und der Peripherieschaltungen anpassen.
Jedes Mal, wenn eine neue Serie oder ein kundenspezifisches Produkt entwickelt wird, erfordert dies oft individuelle Änderungen an Komponenten und Schaltungen.
Einer der größten Vorteile von MCUs liegt meiner Meinung nach darin, dass sie diesen Entwicklungsaufwand erheblich reduzieren können.“
▶ Parametereinstellungen ermöglichen die Anpassung von Spezifikationen wie Ausgangsspannung, Einschalt-/Ausschaltspannung und Überstromschutz.
▶ Softwareänderungen ermöglichen zusätzliche Kontrollen.
Die Einführung von MCUs, die umfassende Unterstützung für Entwicklung und Design bieten, wird zweifellos das Design von Stromversorgungen grundlegend verändern.
Sebata:
„Für viele Entwickler von Stromversorgungen stellt die Notwendigkeit, den Quellcode für die MCU zu schreiben, anfangs eine Herausforderung dar.
Das neu entwickelte Betriebssystem für die Leistungssteuerung erleichtert das Design jedoch erheblich.
Unser Ziel ist es, den Entwicklungsprozess unserer Kunden deutlich zu beschleunigen.“
Nutzung der Stärken von ROHM auf dem Markt
Yokomizo:
"ROHM bietet eine breites Produktportfolio an, von diskreten Bauteilen bis hin zu integrierten Schaltkreisen. Doch nach Jahrzehnten im Wettbewerb der Stromversorgungsbranche hatte ich den Eindruck, dass wir im Bereich der Controller und MCUs, die die Stromkreise direkt steuern, nicht ausreichend stark aufgestellt waren.“
Als FAE, der eng mit Kunden zusammenarbeitet, stellte er eine wachsende Nachfrage nach „ganzheitlichen Stromversorgungslösungen“ fest, die nicht nur die Leistung einzelner Produkte, sondern auch die Gesamteffizienz und Funktionalität des gesamten Schaltkreises in den Fokus rücken.
Sein ruhiges Auftreten strahlt Stärke und Einfachheit aus.
Yokomizo:
„Mit der Weiterentwicklung unserer LogiCoA™-Lösung werden die Stärken von ROHM bei diskreten Bauteilen und analogen ICs noch besser zur Geltung kommen. Wir sind überzeugt, dass wir diese Kompetenzen nutzen können, um vielseitige Lösungen für unterschiedlichste Anwendungen bereitzustellen.“
Unser großes Ziel ist es, sämtliche Stromversorgungsgeräte im niedrigen bis mittleren Leistungsbereich, die bisher von analoger Technologie dominiert werden, schrittweise durch LogiCoA™-Lösungen zu ersetzen.
Ehrgeiz sollte nicht allein ein Privileg der Jugend sein.
Die Welt von morgen wird vom Geist des „Monozukuri“ (der Kunst des Herstellens) geprägt, angetrieben durch Ingenieure, die mit Leidenschaft ihre eigenen Visionen verwirklichen.
Yokomizo:
„Die digitale Regelungssteuerung, die in den 1990er Jahren an Bedeutung gewann, hat sich inzwischen fest etabliert. Dennoch bleibt die analoge Regelung der Standard für Stromversorgungsgeräte mit geringer bis mittlerer Leistung, die den Großteil der auf dem Markt verfügbaren elektrischen Geräte ausmachen.
Zwar erkennen Hersteller von Stromversorgungslösungen und -geräten die Vorteile digitaler Stromversorgungen, wie etwa die hohe Funktionalität, Benutzerfreundlichkeit und einfache Entwicklung, doch scheint bei der Abwägung praktischer Faktoren wie Kosten die vorherrschende Meinung oft zu sein: ‚Ist die analoge Lösung nicht immer noch ausreichend?‘"