Standardisierte Elektronikmodule für das Embedded-Design

Originalgerätehersteller, die vernetzte Industrie- und Audio-Hardware entwickeln, sind aufgrund von Engpässen bei diskreten Bauelementen und komplexen regulatorischen Zertifizierungszyklen mit erheblichen Entwicklungsverzögerungen konfrontiert. Um diese Engpässe in der Entwicklung zu beheben, hat der Dienstleister für die Elektronikfertigung Ryder Industries ein Portfolio standardisierter Elektronikmodule für drahtlose Internet-der-Dinge-Konnektivität, Class-D-Audioverstärkung und Leistungsumwandlung für die Bereiche intelligente Gebäudetechnik, Energiemanagement, Medizintechnik und professionelle Audiotechnik eingeführt.

Überwindung von Lieferketten- und Firmware-Restriktionen in der Hardware-Entwicklung
Der Entwurf kundenspezifischer Hochfrequenz-Schaltungslayouts und Leistungsumwandlungsstufen aus diskreten Halbleitern erfordert spezialisiertes Ingenieurwissen, langwierige Layout-Iterationen und lange Vorlaufzeiten in der Lieferkette. Wenn wichtige integrierte Schaltkreise aufgrund von Marktstörungen nicht verfügbar sind, sehen sich Hardware-Teams häufig gezwungen, Leiterplatten neu zu entwerfen und regulatorische Konformitätsprüfungen zu wiederholen. Darüber hinaus bindet die Beschaffung von Standardmodulen von Drittanbietern Originalgerätehersteller oft an proprietäre Software-Ökosysteme, was den Zugriff auf den zugrunde liegenden Quellcode einschränkt und die langfristige Kontrolle über die Produktfunktionalität begrenzt.

Die Integration vorgefertigter, validierter Funktionsbausteine ermöglicht es Entwicklungsteams, den grundlegenden Schaltungsentwurf zu überspringen und interne Ressourcen auf anwendungsspezifische Merkmale zu konzentrieren, die das Endprodukt differenzieren. Durch die Kombination von standardisierter Hardware mit zugänglichen Firmware-Architekturen können Hersteller die Bauteilversorgung sichern und gleichzeitig das vollständige Eigentum an ihrem geistigen Eigentum behalten.

Spezifikationen für drahtlose Konnektivität und Leistungsarchitektur
Das modulare Portfolio von Ryder Industries umfasst mehrere drahtlose Kommunikationsprotokolle, die auf spezifische Anforderungen an Bandbreite, Reichweite und Energiebudget in Anwendungen des Internets der Dinge zugeschnitten sind. Für stromsparende Geräte mit geringer Reichweite bietet das Unternehmen ein Bluetooth-5.4-Modul an, das eine energieeffiziente bidirektionale Kommunikation und Mesh-Vernetzung unterstützt. Für industrielle Infrastrukturen und Weitverkehrsnetze umfasst das Angebot Module für Wi-Fi 6, LoRa und Wi-SUN. Die Wi-SUN-Konfiguration ist speziell für die Unterstützung großflächiger, energiearmer drahtloser Außennetzwerke ausgelegt, wie etwa für intelligente Messsysteme und kommunale Infrastrukturen.

Über die Hochfrequenzkommunikation hinaus deckt der Katalog Anforderungen an eine hocheffiziente Stromversorgung und Akustiktechnik ab. Für professionelle Audioanlagen und Unterhaltungselektronik bietet Ryder Industries das Modell RSD200A an, ein Class-D-Leistungsverstärkermodul mit 200 W. Um akustische Lasten ohne die Notwendigkeit eines kundenspezifischen Leistungsstufen-Designs zu unterstützen, wird die Verstärkerreihe durch dedizierte Schaltnetzteilmodule ergänzt, die speziell für die Integration in Audiogeräte entwickelt wurden.

Beschleunigung der elektromagnetischen Verträglichkeit und der Produktionsabläufe
Ein wesentliches Hindernis bei der Markteinführung von vernetzter Hardware und Schaltleistungselektronik ist das Bestehen der Prüfungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit. Das hochfrequente Schalten in Class-D-Verstärkern, Schaltnetzteilen und Funksendern erzeugt naturgemäß elektromagnetische Störungen, welche die abschließende Produktzertifizierung verzögern können. Ryder Industries mindert dieses Risiko, indem die Module vor der Auslieferung externen Labortests und einer Validierung gemäß den relevanten Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit unterzogen werden. Obwohl Originalgerätehersteller weiterhin abschließende Konformitätsprüfungen an ihren fertigen Gehäusen durchführen müssen, verringert die Integration einer vorvalidierten Baugruppe die Wahrscheinlichkeit von späten Ausfällen durch gestrahlte oder leitungsgebundene Emissionen.

Aus betrieblicher und beschaffungstechnischer Sicht bietet die interne Modulentwicklung über einen Partner für Elektronikfertigungsdienstleistungen Flexibilität bei Siliziumengpässen. Wilson Chan, Vizepräsident für Entwicklung bei der Ryder Industries Ltd, merkte an, dass das Entwicklungsteam ein alternatives Modul auf Basis desselben integrierten Hochfrequenz-Schaltkreises entwickelte, nachdem ein Kunde bei einer bestehenden Drittanbieterkomponente mit Lieferunterbrechungen konfrontiert war. Da der Hersteller auch die zugrunde liegende Firmware selbst entwickelt, stellt er den Kunden den Quellcode zur Verfügung, damit diese die Kontrolle über die Softwarearchitektur behalten, wodurch die Stückkosten im Vergleich zum entsprechenden kommerziellen Modul um rund 30 Prozent gesenkt und gleichzeitig die Lieferkette stabilisiert wurden.

Zusätzlicher Kontext:
Dieser Abschnitt enthält technische Spezifikationen und Wettbewerbsvergleiche, die nicht in der ursprünglichen Produktankündigung enthalten waren.

In der Entwicklung eingebetteter Systeme spiegelt der Einsatz vorzertifizierter Funk- und Leistungsbaugruppen einen branchenweiten Wandel weg vom diskreten Chip-Design wider, insbesondere bei niedrigen bis mittleren Produktionsvolumina. Diskrete Hochfrequenz-Designs auf Chip-Ebene erfordern eine präzise Impedanzanpassung, Antennenabstimmung und mehrlagige Leiterplattenaufbauten sowie obligatorische Funkzulassungen im Rahmen regulatorischer Vorgaben wie der Funkanlagenrichtlinie in Europa und den Bestimmungen nach Teil 15 der Bundeskommunikationskommission in den Vereinigten Staaten. Der Einsatz vorvalidierter Module ermöglicht es Entwicklungsteams, das Zertifizierungsrisiko zu senken und die Markteinführungszeit um mehrere Monate zu verkürzen.

Aus Sicht der technischen Leistungsfähigkeit decken die für dieses Portfolio ausgewählten Protokolle unterschiedliche Ebenen der industriellen Funkhierarchie ab. Bluetooth 5.4, standardisiert durch die Bluetooth-Interessengemeinschaft, führte periodisches Senden mit Antworten sowie verschlüsselte Werbedaten ein, was eine bidirektionale, verbindungslose Kommunikation mit Tausenden von Endknoten in extrem stromsparenden Sensornetzwerken und elektronischen Regaletiketten ermöglicht. In Außenbereichen der Versorgungswirtschaft und in intelligenten städtischen Umgebungen arbeitet Wi-SUN auf Basis des Standards IEEE 802.15.4g und bietet selbstheilende Sub-Gigahertz-Mesh-Netzwerke, die typischerweise Datenraten von bis zu 300 kbit/s bei geringerer Latenz und höherem Durchsatz als Standard-LoRaWAN-Architekturen unterstützen, welche Bandbreite gegen eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Reichweite im Mehrkilometerbereich eintauschen.

Im Bereich der Audio- und Leistungsumwandlung nutzt die Class-D-Verstärkung die Pulsweitenmodulation, um Ausgangstransistoren schnell zwischen Sperrbereich und Sättigung umzuschalten. Diese Schaltungstopologie erreicht Wirkungsgrade von über 85 bis 90 Prozent, verglichen mit etwa 50 bis 65 Prozent bei herkömmlichen linearen Class-AB-Verstärkern. Bei einer Dauerausgangsleistung von 200 W wie beim Modell RSD200A reduziert ein hoher Wirkungsgrad die Verlustwärme erheblich, sodass Systementwickler auf große externe Kühlkörper verzichten und die gesamten Gehäuseabmessungen verringern können. Die Kombination von Class-D-Stufen mit dedizierten Audio-Schaltnetzteilen reduziert das Systemgewicht weiter, indem sperrige lineare 50/60-Hz-Ringkerntransformatoren durch hochfrequente Schaltungstopologien ersetzt werden, wobei jedoch eine sorgfältige Filterung erforderlich ist, um Intermodulationen der Schaltfrequenz innerhalb des hörbaren Spektrums zu verhindern.

Redaktionell bearbeitet von Sucithra Mani, Induportals-Redakteurin – angepasst durch KI.

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