Systemintegratoren, Schaltschrankbauer, OEMs und technische Einkäufer haben in der Regel nicht das Problem, einzelne elektronische Komponenten zu beschaffen. Die größere Herausforderung besteht darin, Hardware, Firmware, Kommunikationsschnittstellen, mechanische Randbedingungen und Compliance-Anforderungen zu einem System zusammenzuführen, das sich effizient vom Prototypen bis zur Serienfertigung weiterentwickeln lässt.
TPS Elektronik bietet integrierte Entwicklungsleistungen für Embedded-Hardware und Firmware, die Integration von Kommunikationsprotokollen wie CAN, TCP/IP und Modbus sowie seriellen Schnittstellen, EMV-gerechtes PCB-Design, mechanische Integration, Testunterstützung und die Vorbereitung auf die Serienfertigung.
1. Warum integrierte Entwicklung entscheidend ist
Elektronikentwicklung geht weit über die Erstellung eines Schaltplans hinaus. Hardwarearchitektur, Firmwareverhalten, Kommunikationsschnittstellen, EMV- und Sicherheitsanforderungen, mechanische Integration sowie Fertigungsrandbedingungen müssen letztlich in einem Gesamtsystem zusammenwirken.
Für Systemintegratoren und technische Einkäufer stellt sich daher vor allem die Frage, ob ein Lieferant ein eindeutig spezifiziertes und fertigungsgerechtes System entwickeln und gleichzeitig den jeweils erforderlichen Konformitätsprozess unterstützen kann – und nicht lediglich einzelne Teile der Entwicklung liefert.
Werden Hardware, Firmware und Kommunikationsschnittstellen unabhängig voneinander entwickelt, können Schnittstellen- und Integrationslücken entstehen. Eine Leiterplatte kann elektrisch wie vorgesehen funktionieren, während Diagnosefunktionen in der Firmware noch unvollständig sind. Eine CAN-Schnittstelle kann während der Entwicklung zuverlässig arbeiten, obwohl das verwendete Validierungskonzept nicht den Anforderungen der späteren Produktion entspricht. Ebenso kann ein Netzteil seine elektrischen Zielwerte erreichen, während erst bei späteren EMV-Prüfungen Probleme erkannt werden, die Änderungen am PCB-Layout oder an der Filterung erfordern.
Ein integrierter Entwicklungsansatz kann solche Abhängigkeiten bereits in früheren Projektphasen berücksichtigen:
- Architektur vor dem Detaildesign: Aufteilung zwischen Hardware und Software, Kommunikationsprotokolle, Bauteilauswahl und Systemschnittstellen können mit den technischen und wirtschaftlichen Anforderungen abgestimmt werden.
- EMV-, thermische und mechanische Randbedingungen vor Abschluss des Layouts: Diese Aspekte können bereits bei Schaltungsentwicklung und PCB-Design berücksichtigt werden, statt erst nach der Erprobung erster Prototypen.
- Dokumentation parallel zur Entwicklung: Prüfabläufe, Fertigungsunterlagen und compliance-relevante Dokumente können mit zunehmender Designreife schrittweise erstellt werden.
Bei industriellen Projekten besteht das Ziel daher nicht darin, einen STM32-basierten Controller, eine FPGA-Implementierung, eine CAN-Schnittstelle oder eine Leistungsstufe isoliert zu entwickeln. Entscheidend ist, dass diese Komponenten als Gesamtsystem funktionieren und den Übergang vom Entwicklungsprototypen zu einem reproduzierbaren Serienprodukt unterstützen.
Weitere TPS-Ressourcen zu diesem Themenbereich sind die Entwicklung kundenspezifischer Netzteile und das Design von Buck-Boost-Wandlern.
2. Embedded-Hardware-Entwicklung: von der Leistungselektronik bis zum PCB-Design
Die Hardwareentwicklung von TPS Elektronik reicht von Embedded-Elektronik mit geringer Leistung bis zu leistungsstarken industriellen Systemen. Neben der elektrischen Funktion werden dabei auch Bauteilauswahl, Fertigbarkeit, thermisches Verhalten, mechanische Randbedingungen und die jeweils relevanten Compliance-Anforderungen berücksichtigt.
2.1 Entwicklung von Leistungselektronik
TPS entwickelt ein- und dreiphasige Netzteile, DC/DC-Wandler, Gleichrichter und wechselrichterbasierte Systeme. Je nach Anwendung reichen typische Leistungsbereiche von mehreren hundert Watt bis zu mehreren hundert Kilowatt. Einsatzgebiete sind unter anderem industrielle Stromversorgungen, Batterietestsysteme, PV-Wechselrichter und Energiespeichersysteme.
Zu den Entwicklungsaufgaben zählen unter anderem:
- Auswahl und Applikation von Leistungshalbleitern wie MOSFETs, IGBTs sowie SiC- und GaN-Bauelementen.
- Auslegung magnetischer Komponenten wie Transformatoren und Induktivitäten unter Berücksichtigung elektrischer und thermischer Anforderungen.
- Analoge Messschaltungen zur Erfassung von Strom, Spannung und Temperatur.
- Integration von Relais, Schützen, Leistungsschaltern und weiteren Schalt- oder Schutzkomponenten.
Diese Bereiche beeinflussen sich gegenseitig. Auswahl der Leistungshalbleiter, Schaltfrequenz, Magnetik, PCB-Layout, Wärmemanagement, Messschaltungen und Schutzkonzept können Auswirkungen auf Wirkungsgrad, elektromagnetisches Verhalten, Zuverlässigkeit und mechanischen Aufbau haben.
2.2 PCB-Design und Layout
Für Schaltplanerstellung und PCB-Layout setzt TPS Altium Designer und Cadence Allegro ein. EMV-, thermische, elektrische und mechanische Randbedingungen werden während des Entwicklungsprozesses berücksichtigt, insbesondere bei Mixed-Signal-Leiterplatten, leistungselektronischen Layouts und hochintegrierten Embedded-Systemen.
Ein EMV-gerechtes PCB-Design kann beispielsweise die Gestaltung von Stromrückpfaden, Massekonzepten, Bauteilplatzierung, Filterung, Schaltstromschleifen, Schnittstellenführung sowie die räumliche Trennung empfindlicher und störbehafteter Schaltungsbereiche umfassen.
Für die mechanische Entwicklung werden SolidWorks und AutoCAD eingesetzt. Die Abstimmung von Leiterplattengeometrie, Gehäusen, Steckverbindern, Befestigungspunkten, Kühlkonzepten und Kabelführung ist insbesondere für Schaltschrankbauer und Systemintegratoren relevant, wenn Baugruppen in bereits vorgegebene mechanische Strukturen integriert werden müssen.
Praxisbeispiele finden Sie in der Fallstudie zur Entwicklung kundenspezifischer Netzteile und im Beitrag zur Entwicklung von Batterietestsystemen.
3. Firmware und Embedded Software: MCU, FPGA und Steuerungslogik
Embedded-Hardware ist für Steuerung, Diagnose, Kommunikation, Überwachung und Fehlerbehandlung auf geeignete Firmware angewiesen. TPS entwickelt Embedded Software für mikrocontroller- und FPGA-basierte Systeme und betrachtet die Softwarearchitektur dabei gemeinsam mit der zugrunde liegenden Hardware.
3.1 MCU-Firmware-Entwicklung
TPS arbeitet mit STM32, AVR und weiteren ARM-basierten Mikrocontrollern. Die Entwicklung kann hardwarenahe Peripherietreiber, Zustandsautomaten, Echtzeitregelungen, Kommunikationsschnittstellen, Diagnosefunktionen und Anwendungssoftware umfassen.
Soweit dies Bestandteil der Systemspezifikation ist, kann die Firmwarearchitektur auch Anforderungen an Wartbarkeit, Testbarkeit und spätere Firmware-Updates berücksichtigen.
3.2 FPGA- und CPLD-Design
Für Anwendungen mit Anforderungen an deterministisches Timing, hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit, parallele Verarbeitung oder applikationsspezifische Ein- und Ausgänge entwickelt TPS FPGA- und CPLD-Implementierungen in VHDL oder Verilog.
Typische Einsatzfelder sind Motorregelung, Signalverarbeitung, zeitkritische Funktionen und kundenspezifische Kommunikationsschnittstellen.
3.3 Regelalgorithmen und Diagnose
Regelalgorithmen können beispielsweise für Leistungswandler, Batteriemanagementsysteme (BMS) und Motion-Control-Anwendungen implementiert werden.
Diagnose und Fehlerbehandlung werden als Bestandteil der Systemarchitektur betrachtet. Abhängig von der Anwendung muss die Firmware beispielsweise ungewöhnliche Betriebszustände erkennen, Diagnoseinformationen bereitstellen, definierte Reaktionen ausführen und das System gegebenenfalls in einen dafür vorgesehenen Betriebszustand versetzen.
Weitere Informationen finden Sie im Leitfaden zur Softwareentwicklung für Medizinprodukte und im Beitrag zum PCB-Design für Medizinprodukte.
4. Kommunikationsprotokolle: CAN, TCP/IP, Modbus und kundenspezifische Schnittstellen
Industrielle, automotive und eingebettete Systeme verwenden häufig mehrere Kommunikationsebenen. Eine funktionierende Integration erfordert sowohl geeignete physikalische Schnittstellen als auch Firmware, die Datenaustausch, Diagnose, Timing, Fehlerzustände und Interoperabilität mit anderen Geräten berücksichtigt.
TPS integriert etablierte Kommunikationsschnittstellen und kann applikationsspezifische Protokolle entwickeln, wenn Standardprotokolle die Anforderungen des jeweiligen Systems nicht vollständig abdecken.
4.1 CAN-Bus-Entwicklung: von der Hardwareintegration bis zur Diagnose
CAN wird in Automobil- und industriellen Steuerungssystemen vielfach eingesetzt, da das Bussystem eine robuste Kommunikation zwischen mehreren Teilnehmern auch in elektrisch anspruchsvollen Umgebungen ermöglicht.
Die CAN-Entwicklung kann unter anderem folgende Aufgaben umfassen:
- Integration von CAN-Transceivern mit STM32, AVR und weiteren Mikrocontrollern.
- Firmware-Unterstützung für CAN 2.0B und CAN FD.
- Integration höherer Protokollschichten wie CANopen und J1939.
- Entwicklung CAN-fähiger Controllerboards für Prototypen oder Serienprodukte.
- Test- und Diagnosefunktionen zur Validierung der Schnittstelle.
- OBD-II/CAN-Integration für geeignete Anwendungen in Fahrzeugdiagnose und Telematik.
Eine CAN-Implementierung umfasst daher mehr als die Auswahl eines geeigneten Transceivers. Terminierung, Topologie, Verhalten der physikalischen Schicht, Nachrichtenverarbeitung, Timing, Diagnose und Kommunikation auf Anwendungsebene müssen aufeinander abgestimmt werden.
4.2 TCP/IP und Modbus für die industrielle Automatisierung
Ethernet-basierte Kommunikation spielt für industrielle Steuerungen, Überwachungssysteme und vernetzte Geräte eine zunehmende Rolle.
Die Entwicklung durch TPS kann unter anderem umfassen:
- Embedded-TCP/IP-Stacks, einschließlich lwIP und applikationsspezifischer Implementierungen.
- Modbus TCP für die Kommunikation mit SPS-Systemen, SCADA-Systemen und industriellen Steuerungen.
- Netzwerkschnittstellen für Fernüberwachung und Geräteverwaltung.
- Applikationskommunikation auf Basis von TCP/IP, sofern dies durch die Systemarchitektur erforderlich ist.
TCP/IP bezeichnet eine Protokollfamilie und nicht eine einzelne Schnittstelle. IP übernimmt unter anderem Netzwerkadressierung und Paketweiterleitung, während TCP eine verbindungsorientierte und zuverlässige Transportfunktion bereitstellt. Bei der Embedded-Implementierung müssen zusätzlich begrenzte Systemressourcen, Fehlerbehandlung, Verbindungsmanagement und die Anforderungen der jeweiligen Anwendung berücksichtigt werden.
4.3 Serielle Schnittstellen: RS-232, RS-485, RS-422, USB und I²C/SPI
Für die Anbindung älterer Geräte sowie für die Kommunikation auf Geräte- und Baugruppenebene werden weiterhin serielle Schnittstellen benötigt. TPS entwickelt Systeme mit RS-232, RS-485, RS-422, SPI, I²C und USB.
Dazu können USB-zu-Seriell-Bridges, die Integration bestehender RS-232-Geräte, Multi-Drop-Kommunikation über RS-485 sowie Board-Level-Schnittstellen zwischen Prozessoren, Sensoren, Wandlern und Peripheriebausteinen gehören.
Wenn etablierte Protokolle die funktionalen Anforderungen einer Anwendung nicht erfüllen, können auch kundenspezifische Kommunikationsprotokolle implementiert werden.
Ein Anwendungsbeispiel für die kombinierte Entwicklung von Leiterplatte und Software zeigt die Fallstudie zu PCB-Design und Softwareentwicklung.
5. EMV und Sicherheit: Compliance-Anforderungen von Beginn an berücksichtigen
EMV- und Sicherheitsanforderungen können Schaltungsarchitektur, PCB-Layout, Filterung, Massekonzept, Schirmung, Bauteilauswahl, Gehäusedesign und Firmwareverhalten beeinflussen. Werden diese Anforderungen bereits während der Entwicklung berücksichtigt, können potenzielle Probleme unter Umständen vor der formalen Prüfung erkannt werden.
5.1 EMV-gerechtes Design und Prüfung
TPS berücksichtigt die elektromagnetische Verträglichkeit bereits bei Schaltungsentwicklung und PCB-Layout. Abhängig von der Anwendung kann dies unter anderem folgende Aspekte umfassen:
- Masse- und Rückstrompfadkonzepte.
- Eingangs- und Ausgangsfilterung.
- Schirmungskonzepte.
- Bauteilplatzierung.
- Optimierung von Schaltstromschleifen.
- Schutz und Filterung von Schnittstellen.
- Trennung empfindlicher Schaltungsbereiche von störintensiven Bereichen.
TPS unterstützt EMV-Vorprüfungen und kann bei Bedarf formale Konformitätsprüfungen mit akkreditierten Prüflaboren koordinieren.
Welche EMV-Anforderungen gelten, hängt vom Produkt, der vorgesehenen Einsatzumgebung, dem Zielmarkt und dem regulatorischen Rahmen ab. Diese Anforderungen sollten deshalb bereits während der Spezifikationsphase projektspezifisch ermittelt und nicht pauschal aus einer Produktkategorie abgeleitet werden.
5.2 Sicherheitsanforderungen für Automotive- und Industrieelektronik
Sicherheits- und regulatorische Anforderungen unterscheiden sich je nach Anwendung und Zielmarkt erheblich.
Für Automotive-Projekte können beispielsweise ECE R10 hinsichtlich elektromagnetischer Verträglichkeit sowie ISO 26262 relevant sein, wenn funktionale Sicherheit Bestandteil der Anwendung ist. Fahrzeuganwendungen für den US-Markt können außerdem den jeweils einschlägigen Federal Motor Vehicle Safety Standards (FMVSS) unterliegen.
Bei industriellen Systemen hängen relevante IEC-, UL- und europäische Anforderungen von Gerätetyp, bestimmungsgemäßer Verwendung und Zielmarkt ab. Normen wie IEC 61010 oder IEC 61508 können für bestimmte Anwendungen relevant sein; ihre tatsächliche Anwendbarkeit muss jedoch projektspezifisch geprüft werden.
Die frühzeitige Berücksichtigung dieser Anforderungen in Systemarchitektur und Design kann den späteren Compliance-Prozess unterstützen und dazu beitragen, umfangreiche Änderungen nach Prototypen- oder Vorprüfungen zu vermeiden.
Als externe Referenzen stehen die Übersicht zu ISO 26262 und die IEC-Informationen zur EMV zur Verfügung.
6. Entwicklungsablauf: vom Konzept bis zur Serienreife
Ein strukturierter Entwicklungsprozess unterstützt die Koordination von Elektronik, Firmware, Mechanik, Prüfung und Compliance. TPS arbeitet mit einem phasenorientierten Vorgehen, das an den technischen Umfang und die Fertigungsanforderungen des jeweiligen Projekts angepasst werden kann.
6.1 Konzept- und Anforderungsdefinition
Zu Beginn werden funktionale Anforderungen, Leistungsziele, elektrische Schnittstellen, Kommunikationsprotokolle, Umgebungsbedingungen, mechanische Randbedingungen, Produktionsmengen und relevante Compliance-Anforderungen definiert.
Die daraus entstehende Systemspezifikation bildet die technische Grundlage für Architekturentscheidungen, Projektplanung und Angebotserstellung.
6.2 Design und Prototyping
Nach Festlegung der Systemarchitektur und Schnittstellen können Schaltungsentwicklung, PCB-Layout, Firmwareentwicklung und mechanische Konstruktion parallel erfolgen.
Funktionsprototypen ermöglichen anschließend die Bewertung wesentlicher elektrischer Funktionen, des Firmwareverhaltens, der Kommunikationsschnittstellen, des thermischen Verhaltens und der Systemintegration.
6.3 Prüfung und Compliance-Vorbereitung
Abhängig von den Projektanforderungen kann die Validierung der Prototypen folgende Punkte umfassen:
- Elektrische und funktionale Prüfungen.
- Thermische Charakterisierung.
- Prüfung der Kommunikationsschnittstellen.
- EMV-Vorprüfungen.
- Sicherheitsbezogene Analysen, sofern für die Anwendung relevant.
Die Prüfergebnisse bilden die Grundlage für mögliche Designiterationen, bevor das Projekt in die Vorserie oder Produktionsvorbereitung übergeht.
6.4 Serienreife und Produktionsüberführung
Sobald der erforderliche Entwicklungsstand erreicht ist, können Fertigungsunterlagen, Prüfabläufe, Prüfvorrichtungen und qualitätsrelevante Dokumentationen für die Produktion vorbereitet werden.
TPS kann anschließend auch den Übergang in die Serienfertigung über seine Electronics Manufacturing Services (EMS) unterstützen. Eine koordinierte Entwicklung und Fertigung kann die Übertragung von Entwicklungsdaten vereinfachen und ermöglichen, Rückmeldungen aus der Produktion in den endgültigen Konstruktionsstand einfließen zu lassen.
Weitere Projektbeispiele sind das Design eines Buck-Boost-Wandlers sowie die Nachrüstung eines Leistungsschalters und Modernisierung eines Schaltschranks.
7. Wann integrierte Entwicklungsleistungen von TPS sinnvoll sein können
Die Entwicklungsleistungen von TPS Elektronik richten sich insbesondere an Projekte, bei denen mehrere technische Disziplinen koordiniert werden müssen und eine isolierte PCB- oder Firmwareentwicklung nicht ausreicht.
Zu den relevanten Kompetenzen gehören:
- Integrierte Hardware- und Firmwareentwicklung: Hardwarearchitektur, Schnittstellen, Firmware und Steuerungsfunktionen können innerhalb eines abgestimmten Entwicklungsprozesses bearbeitet werden.
- Integration von Kommunikationsprotokollen: Unterstützt werden unter anderem CAN, CAN FD, CANopen, J1939, TCP/IP, Modbus, serielle Schnittstellen und applikationsspezifische Protokolle.
- EMV-gerechte Entwicklung: EMV-Aspekte können bei Schaltungsentwicklung, PCB-Layout, mechanischer Integration und Prototypenbewertung berücksichtigt werden.
- Unterstützung vom Prototyp bis zur Serie: Auf die Entwicklung können Produktionsvorbereitung und EMS-Fertigung folgen.
- Erfahrung in der Leistungselektronik: TPS entwickelt Systeme von Embedded-Elektronik bis zu leistungselektronischen Anlagen mit Leistungen von mehreren hundert Kilowatt.
Für technische Einkäufer kann ein integrierter Ansatz die technische Koordination vereinfachen, da Schnittstellen zwischen getrennten Lieferanten für Hardware, Firmware, Mechanik und Fertigung reduziert werden können.
Für Entwicklungsteams entsteht ein Rahmen, in dem PCB-Design, Embedded Software, Kommunikationsschnittstellen, mechanische Integration, Prüfung und Produktionsanforderungen als Bestandteile desselben Systems betrachtet werden können.
8. FAQ: Entwicklungsleistungen für Elektronik
Welche Kommunikationsprotokolle kann TPS integrieren?
TPS integriert CAN 2.0B, CAN FD, CANopen, J1939, TCP/IP, Modbus RTU, Modbus TCP, RS-232, RS-485, RS-422, SPI, I²C, USB sowie applikationsspezifische Kommunikationsprotokolle.
Welche Schnittstelle und welches Protokoll geeignet sind, hängt unter anderem von Topologie, Bandbreite, Leitungslänge, Timing-Anforderungen, Umgebungsbedingungen, Interoperabilität und der vorhandenen Systemarchitektur ab.
Wie läuft die Entwicklung eines kundenspezifischen Embedded-Systems typischerweise ab?
Ein typischer Entwicklungsprozess umfasst Anforderungsdefinition, Systemarchitektur, Schaltungs- und PCB-Entwicklung, Firmwareentwicklung, gegebenenfalls mechanische Integration, Prototyping, elektrische und funktionale Prüfungen, thermische Bewertung, EMV-Vorprüfungen sowie die Vorbereitung auf die Serienfertigung.
Der konkrete Ablauf hängt vom technischen Umfang, der Anwendung, den Produktionsanforderungen und den jeweils geltenden regulatorischen oder zertifizierungsbezogenen Anforderungen ab.
Unterstützt TPS sowohl die Prototypenentwicklung als auch die Serienfertigung?
Ja. TPS kann Projekte von der Entwicklung über den Prototypenbau bis hin zur anschließenden Serienfertigung im Rahmen seiner Electronics Manufacturing Services begleiten.
Die Kontinuität zwischen Entwicklung und Fertigung kann die Produktionsüberführung vereinfachen, da Entwicklungsdaten, Prüfanforderungen, Bauteilinformationen und Fertigungsrandbedingungen innerhalb eines koordinierten Prozesses berücksichtigt werden können.
Wie wird EMV während der Entwicklung berücksichtigt?
EMV-Aspekte werden bereits bei Schaltungsentwicklung und PCB-Layout berücksichtigt. Dazu können beispielsweise Masse- und Rückstrompfadkonzepte, Filterung, Schirmung, Bauteilplatzierung, Schnittstellenschutz und die Gestaltung von Schaltstromschleifen gehören.
EMV-Vorprüfungen an Prototypen können anschließend dazu dienen, mögliche Probleme vor der formalen Prüfung zu erkennen. Bei Bedarf kann TPS formale Konformitätsprüfungen mit akkreditierten Prüflaboren koordinieren.
Welche Sicherheitsnormen werden bei Automotive- und Industrieprojekten berücksichtigt?
Die jeweils anzuwendenden Normen hängen vom Produkt, der Anwendung, dem Zielmarkt und den regulatorischen Anforderungen ab.
Bei Automobilelektronik können beispielsweise ISO 26262 für funktionale Sicherheit und ECE R10 für die elektromagnetische Verträglichkeit relevant sein. Für Anwendungen auf dem US-Markt können zusätzlich einschlägige FMVSS-Vorgaben gelten.
Bei Industrieanwendungen können – abhängig von Gerät und bestimmungsgemäßer Verwendung – Normen wie IEC 61010 und IEC 61508 sowie relevante europäische und UL-Anforderungen eine Rolle spielen. Die tatsächliche Anwendbarkeit sollte daher bereits während der Anforderungsdefinition und Compliance-Planung festgelegt werden.
