Ob in Automobilen, in der Medizintechnik oder in vielen automatisierten Industrieanlagen, Embedded Systeme, also integrierte Rechner, sorgen für die sichere Funktionsfähigkeit. Dazu müssen diese Systeme dauerhaft zuverlässig arbeiten und gegen die jeweiligen Umgebungseffekte wie Vibrationen oder hohe Temperaturen geschützt sein. Dies gilt besonders bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie etwa in der Luft- und Raumfahrt.
Anders als bei „normalen“ PCs, bei denen der neueste, superschnelle Prozessor kaufentscheidend ist, geht es bei Embedded Systeme um minimale Kosten, möglichst wenig Platz-, Energie- und Speicherressourcen und um die Funktionsfähigkeit in Echtzeit. Wichtig ist ein langer, fehlerfreier, gegebenenfalls auch 24/7-Einsatz, egal wie rau die Umgebung ist, denn auch geringste Unregelmäßigkeiten könnten etwa die Fertigung eines Unternehmens lahmlegen. Bewegliche Teile vermeidet man aus Verschleissgründen, daher werden zum Beispiel stromsparende Prozessoren, ROM- oder Flashspeicher bevorzugt, die ohne Lüfter auskommen.
Basismodule für kürzere Entwicklungszeiten
Die eingebetteten Architekturen sind sehr aufwändig zu entwickeln. Daher bietet Toradex System-on-Modules (SoM) beziehungsweise Computer-on-Modules (CoM) an – kleine, einsatzbereite Computing-Lösungen, die aus anwendungsunabhängiger Hard- und Software bestehen.
„Bei einem CoM oder auch SoM werden die Kernkomponenten eines Embedded Computers auf einem kleinen Modul platziert, inklusive SoC, RAM, Flash, Power Management, Ethernet, et cetera. Dieses Basismodul erweitert der Kunde dann zu seinem gewünschten Trägerboard mit dem IO und den benötigten Peripheriegeräten“, erklärt Daniel Lang, Chief Marketing Officer bei Toradex.
Das 2003 gegründete Schweizer Unternehmen entwickelt mit 135 Mitarbeitern in acht Büros weltweit erfolgreich SoM- und CoM-Lösungen für kleine bis mittelgroße Projekte. Die Module von Toradex bewähren sich in den unterschiedlichsten anspruchsvollen Anwendungen. Sie überzeugen mit zahlreichen Verbindungs- und Multimediafähigkeiten und dem Industrial Temperatur Support, der die einwandfreie Funktion bei Temperaturen von -40 bis 85 °C garantiert. Zudem arbeiten sie selbst unter erschwerten Bedingungen (Schläge, Vibrationen) zuverlässig. Einsatzgebiete der Module sind Industrielle Automation und Robotik, Edge Computing, Transportfahrzeuge, Medizintechnik sowie Test- und Messinstrumente.
Die Anwender profitieren vom Toradex-Konzept durch reduzierte Komplexität sowie kurze Produkteinführungszeiten und sparen auch Entwicklungskosten. Ein weiterer Vorteil ist, dass solch ein Modul über mehrere CPU-Generationen verwendet werden kann. Zudem lässt sich die Rechenleistung des eingebetteten Systems bedarfsgerecht skalieren. Die aktuellen Basismodule von Toradex sind vielfach getestet und erprobt. „Zum Beispiel werden die Vibrations- und Schocktests von der Prüfstelle der Quinel AG durchgeführt, einem der führenden unabhängigen und international akkreditierten Prüflaborunternehmen“, bestätigt Lang.
Embedded-Lösungen Colibri und Apalis
Die beiden Produktfamilien Colibri und Apalis sind die modular aufgebauten CoM-Lösungen aus dem Embedded-Programm von Toradex. Dabei steht speziell die Apalis-Architektur für Langlebigkeit, Erweiterbarkeit, Benutzerfreundlichkeit, Kompatibilität und Einfachheit, insbesondere beim Energiemanagement. Die Gesamtheit an Möglichkeiten macht diesen aktuellen Standard für eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Anwendungsmöglichkeiten nutzbar.
Das Modulkonzept gestattet den Kunden die Wiederverwendung von Designs und die Integration in viele Embedded-Computeranwendungen. So erlauben die pinkompatiblen Colibri- und Apalis-Module nicht nur eine schnelle, kosteneffiziente Produkteinführung, sondern bieten dem Kunden auch die notwendige Flexibilität beim Produktdesign.
Colibri-Module kommen ohne zusätzlichen Wärmespreizer oder Kühlkörper aus, da sie überwiegend über einen thermischen Drosselmechanismus verfügen: Das Modul misst die aktuelle Temperatur des SoC. Übersteigt diese einen kritischen Wert, drosselt es die CPU-Geschwindigkeit oder schaltet das System komplett aus, um Schäden zu vermeiden.
Die Apalis-Module dagegen benötigen in vielen Anwendungsfällen einen Kühlkörper zum Abführen der entstehenden Verlustleistung von maximal 15 W, um dauerhaft zuverlässig zu funktionieren. Dabei gelten für die Kühllösungen nahezu die gleichen Anforderungen wie für die Embedded Systeme selbst: Sie müssen kompakt, leistungsstark und möglichst mobil sein.
CPU-Kühlkörper für Embedded Lösungen
Toradex bezieht die Kühllösungen für seine Module seit vielen Jahren bei CTX Thermal Solutions aus Nettetal. Das Handelshaus für kundenspezifische und standardisierte Kühllösungen zeichnet sich durch sein umfassendes Produktportfolio aus, zu dem auch CNC-gefertigte, aktive und passive Embedded-Kühllösungen gehören: einfache Rippenkühlkörper, Wärmespreizer (Heatspreader) mit integrierten Wärmerohren (Heatpipes), Kühlkörper mit Kupfer-Inlay und kühlende Gehäuse.
Das Design der eingebetteten Kühlkörper kann dabei dem jeweiligen System individuell angepasst werden. Welcher Kühlkörper für die kundenspezifische Anwendung am besten geeignet ist, hängt von der abzuführenden Verlustleistung und dem zur Verfügung stehenden Bauraum ab.
Die Kühlkörper werden in der Regel direkt am Hotspot montiert, also dort, wo die Wärmeentwicklung am größten ist. Starke Hitze, welche die Leistungsfähigkeit des Systems reduziert, kann auf diese Weise gar nicht erst entstehen. Auch für die Embedded-Systeme von Toradex hat CTX die passende Kühllösung parat.
CPU- oder Prozessorkühlkörper bestehen meist aus Aluminium oder Kupfer. Auch eine Kombination beider Metalle in Form von Hybrid-Kühlkörpern ist möglich. Dabei vereinen Hybridkühlkörper die Vorteile beider Metalle: die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und das geringe Gewicht von Aluminium. Angeboten werden Kühler-Lüfter-Kombinationen ebenso wie rein passive Kühlkörper, Flüssigkeitskühlkörper oder Wärmerohre. Immer gilt jedoch, dass CPU-Kühlkörper mechanisch und hinsichtlich ihrer Leistung sehr präzise zum jeweiligen Prozessor- beziehungsweise Sockeltyp passen, gleichzeitig sehr leicht und klein sind und durch eine entsprechend hochgenaue Fertigung einen guten Wärmeübergang zwischen Prozessor und Kühlkörper gewährleisten.
Toradex setzt in seinen Apalis-Modulen passive CPU-Kühlkörper aus einer Aluminiumstranggusslegierung mit schwarz eloxierter Oberfläche und einer Kühlleistung von 5,5 W/mK ein, die mit vier Schrauben der Größe M3 auf der Trägerplatine befestigt werden. Das Kühlkörperdesign war dabei eine besondere Herausforderung, denn der zur Verfügung stehende Bauraum ist sehr begrenzt und die Verschraubung erfordert bei den sehr geringen Kühlkörperabmessungen ein gewisses Fertigungs-Know-how. So messen die Kühlkörper ganze 82 mm x 59 mm bei modulabhängigen Stärken von 0,85 mm, 1,15 mm, 1,3 mm beziehungsweise 1,4 mm. Zusätzlich zu den Bohrungen für die Befestigungsschrauben verfügen die Kühlkörper auch über Gewindebohrungen, über die bei Bedarf ein Lüfter montiert werden kann.
Thermische Simulation
Im Fall von Toradex basiert der Kühlkörperentwurf auf langjähriger Erfahrung. Gilt es jedoch für ein neues Produkt eine Kühllösung zu entwickeln, hilft die thermische Simulation dabei, das optimale Kühlkörperdesign zu finden. Mit dem analytischen Prozess der thermischen Simulation lässt sich der Temperaturzustand eines elektrischen Bauteils anhand definierter thermodynamischer und geometrischer Randbedingungen berechnen. Gleichzeitig können bei der Simulation mögliche thermische Probleme frühzeitig erkannt werden. So lassen sich das Design und die Kühlleistung optimieren und zudem Kühlkörpermaterial und -gewicht einsparen. Stellt sich dabei heraus, dass durch eine Veränderung der Kühlkörpergröße, des genutzten Materials oder der Befestigungsart eine Lüfter-basierte Zwangsbelüftung durch eine passive Kühlung ersetzt werden kann, spart dies dem Unternehmen Material- und Fertigungskosten in erheblichem Maß.
