pink is the new green
速
enabling energy efficient solutions
ZMDI Interviews and Articles 2013
May March EEWeb Pulse Issue 98 May 14, 2013 USA
May March Electronic Industry May 1st, 2013 USA by Herman Neufeld
1 Energy-Saving Initiative
SPonSored By
3 Energy-Saving Initiative
an electronic products special series
an electronic products special series
What’s Behind Digital Power Control?
involved than those for analog controllers. Consider, for instance, a fast-occurring 20-a load step at an output voltage of 1 V. at this low voltage, a 200-mV deviation on the output (20%) may be unacceptable for many applications. resorting to adding more output capacitance on the board in order to minimize output voltage deviations unnecessarily burdens the bill of materials cost while it also slows down the converter’s response. With a digital controller, implementing advanced transient response algorithms, such as ZmdI’s State-law Control, reduces expenses while improving transient response. It is also important to know that the lC filter on the output of a dC/dC converter does not exhibit real poles that can be compensated for by the error amplifier’s compensation network. The poles are actually complex, and their position depends on the Q factor of the filter. an unconditionally stable converter can be designed with an analog controller, but at the expense of performance that can easily be obtained from a digital controller. Just imagine having a converter with feedback and feed-forward networks that adapt continuously to your converter’s operating conditions. This is what is achieved with digital power control.
By Herman neufeld Senior member of the Technical Staff at ZmdI herman.neufeld@zmdi.com
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ike any new technique that is introduced in the market, digital power control must first prove that it offers important advantages over state-of-the-art analog techniques. In this vein, the first and foremost issue to be addressed is the price, and the secondary considerations are converter size, performance and efficiency. This article covers these issues and also discusses digital power control from a broad standpoint. What is digital power? digital power, as the term implies, is a technique used for converting power via digital control means. Instead of using analog components, such as operational amplifiers and comparators, it uses a digital controller. Both control techniques are designed to ensure that the power stage switches at the right moment in every switching cycle in order to properly regulate the output voltage. deviations from the correct switching instant lead to deteriorating performance, instabilities, and in extreme cases to malfunction of the load that is being powered. Therefore, performance—not just price—should be something to closely consider. In fact, one of the major differentiators between digital and analog power control is performance. Cost for the typical power supply designer, analog technology has been proven to deliver good and efficient power converters. So why change? Why spend more money on a digital controller? What is clearly overlooked here is that not all converter applications require a digital controller. Take, for example,
a converter that is required to produce 5 V at 1 a. In this case, analog control is the best choice—a conclusion based purely on price. There are also many analog controllers available on the market. as a rule of thumb, one could state that analog control is the preferred choice for converters with output voltages above 3 V and currents below 10 a. digital controllers are not meant to compete against these analog controllers, especially when price is important and analog performance is
the settings on the controller and issue PmBus commands to change them. The equivalent of an aSIC can also be realized by modifying the firmware in order to meet the customer’s needs. This, however, is done by the IC manufacturer. The cost savings compared to an analog aSIC are achieved because the IC itself does not change. further reductions in cost can be achieved via a fully automated production process that is possible with a digital controller. The converter can be programmed,
Fig. 1: Configuration setup for the ZSPM1000 digital controller.
perfectly adequate for the application. However, for a fast-growing market of servers, routers, switches and embedded controls, the converters that power these applications require a much higher level of performance than analog controllers can offer. loads such as field-programmable gate arrays (fPGas), processors, memory banks and similar digital blocks need to interact with the converter feeding them. analog controllers with a digital interface are also available on the market, but, they are not as flexible as digital controllers when requirements change. aSICs also require development time and cost. With a digital controller, such as ZmdI’s ZSPm1000, the user is able to configure
tested, and calibrated without the need for human intervention. design time also needs to be factored into the cost of the converter. When using a digital controller, the converter design does not need to be done by a power supply specialist. It can be done by the very same digital hardware design engineer developing the board. last-minute changes can be quickly implemented because the requirements are programmed into the digital controller, something that can also be done “on the fly.” Performance The kinds of applications addressed by digital controllers are typically more
Converter size The size of a digital converter will typically differ from that of an analog converter depending on the total number of external components needed in order to address the features required by the load. as far as controller size is concerned, it is important to know that process geometries have become smaller in the past years, allowing digital circuits to benefit from this because they can be scaled down in size much more readily than their analog counterparts. as evidence of this, ZmdI’s high-performance digital PWm controller, the ZSPm1000, comes in a 4 x 4-mm Qfn package. Small size also means less silicon area and hence lower cost.
Efficiency analog controllers can provide high efficiency over a wide range of output currents by switching between two modes of operation. one is a constant or pseudo-
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power delivered by a digitally controlled converter and the digital controller’s active supply current. The digital controller’s operating current is generally higher than its analog counterpart, but for the
Fig. 2: Comparison of the transient response of a digital controller (pink trace) vs. an analog controller (white trace).
constant frequency mode for continuous conduction of the inductor current, and the other is a pulse-skipping mode for light loads in which the inductor current reaches zero within every switching cycle, and the switching cycle is determined by the droop time of the output capacitors. digital control does this too, but for output voltages of approximately 1 V and currents in the tens of amperes, additional considerations must be addressed in order to minimize conduction losses and save energy via the various standby and sleep-mode techniques. once again, a digital controller becomes the ideal choice because it is able to be programmed in various operating modes. In order to reduce conduction losses, a driver moS or drmoS power stage is also employed to work alongside the digital controller, for example the ZSPm9060 from ZmdI, which can deliver an average current of up to 60a. This part has been optimized to provide a very high efficiency. another aspect that tends to be overlooked by power supply designers is the relationship between the maximum
MAY 2013 • electronicproducts.com • ElEctronic Products
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power levels it controls, this current becomes an insignificant fraction of the total power budget. PoL modules another application that also fits very well for digital control is point-of-load (Pol) modules. Producing dC/dC converter modules requires a high degree of automated production. Variations in module outputs can be easily configured, either via PmBus or via pin-strapping. The module manufacturer can also tailor the module’s characteristics in order to further optimize it to the load. Future trends in digital power as the number of digital boards continues to increase and the trend toward more energy-efficient designs continues to dominate, digital power will continue to see a high growth potential in the coming years. Cost savings can be obtained through fast design turnaround times, savings in staff personnel, savings in production costs, and faster time to market. ☐ Advertisement
July March Handelsblatt July 25th, 2013 Germany
4 TITELTHEMA
DIENSTAG, 23. JULI 2013, NR. 139
2
300
► Die neuen Länder haben den Rückstand nicht aufgeholt.
2015
Schätzung
2017 2016
250
Die Soli-Lüge
Der Soli ist eine reine Abzocke der Steuerzahler durch eine Große Koalition aus Union, Grünen, SPD und der Linken. Reiner Holznagel, Präsident des Bundes der Steuerzahler
Helmut Kohl: Der damalige Kanzler kündigte 1996 das Ende des Solis an.
sche Förderung Ostdeutschlands nach 2019 beenden. Dann läuft der Solidarpakt II aus. „Manche Regionen in den neuen Ländern stehen wirtschaftlich besser da als Teile der alten Bundesrepublik“, hatte die CDU-Vorsitzende am Wochenende gesagt. Zur Begründung führte Merkel die Forderung von Thüringens Ministerpräsidentin Christine Lieberknecht (CDU) an, die zu Recht darauf hingewiesen habe, dass nach dem Ende des Solidarpakts II die spezifische Förderung für den Osten in eine Förderung nach regionaler Notwendigkeit umgewandelt werden könnte. Das heißt, dass Merkel diesen Teil des Finanzausgleichs zwar umwidmen, aber grundsätzlich beibehalten will. Die SPD hat dagegen vor allem Spott für die Regierungskoalition übrig. „Einmal mehr wird mit viel Theaterdonner ein steuerpolitisches Fass aufgemacht“, kommentierte Fraktionsvize Joachim Poß die schwarz-gelbe Debatte über die Abschaffung des Solidaritätszuschlags. Die Rollen bei diesem „Uralt-Stück“ seien wohlbekannt: Die FDP versuche mit einer Soli-Diskussion im Sommerloch Anlauf für den Sprung über die Fünfprozenthürde bei der Bundestagswahl am 22. September zu nehmen. Was Poß nicht erwähnte: SPD-Ministerpräsidenten scheuen sich nicht, die Erhebung des Zuschlags über das Jahr 2019 hinaus zu fordern. So hatte NRW-Ministerpräsidentin Hannelore Kraft schon in der vergangenen Woche deutlich gemacht, dass sie es für gerechtfertigt hält, nach 2019 einen neuen Sonderfonds zu beginnen. Die Strukturförderung sei jedoch auf das Prinzip „Bedürftigkeit statt Himmelsrichtung“ umzustellen. „Dies wird auch im Rahmen der Verhandlungen für einen neuen Länderfinanzausgleich eine Rolle spielen“, sagte Kraft. Hamburgs Erster Bürgermeister Olaf Scholz wirbt ebenfalls seit längerem dafür, den Solidaritätszuschlag als „Ergänzungsabgabe“ auch nach 2019 durch den Bund zu erheben. Ganz anders hingegen der Präsident des Bundes der Steuerzahler, Reiner Holznagel. Angesichts von Rekordsteuereinnahmen sei ein Festhalten am Soli „reine Abzocke der Steuerzahler durch eine Große Koalition aus Union, SPD, Grünen und der Linken“. Heike Anger, Michael Brackmann, Dorit Heß, Jens Münchrath, Thomas Sigmund
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2013 2012 2011
200
2010 2009 2007 2006
150
2006 2005 2004 2003 100
2002 2001 2000 1999 1998
50
1997 1996 1995 1992 1991
0
Erzielte und erwartete Einnahmen durch den Solidaritätszuschlag Amtliche Daten des Bundesfinanzministeriums
2012 Aufkommen aus dem Solidaritätszuschlag 13,6 Mrd. € An die neuen Bundesländer1 10,8 Mrd. € davon Förderprogramme des Bundes2 3,5 Mrd. €
20
im Zeitraum 2005 bis 2019
207,8 Mrd. €
A
ls Vorsitzender der FDP-Bundestagfraktion hat Hermann Otto Solms den Soli 1995 wieder miteingeführt – heute streitet der Vizepräsident des Deutschen Bundestags für seine Abschaffung. Das Argument des 72-Jährigen: Die Abgabe war zur Finanzierung der Einheit zeitlich befristet angelegt.
Schätzung
Aufkommen
15
105,4 Mrd. € Zuweisungen an die neuen Bundesländer
Herr Solms, die Kanzlerin will den Solidaritätszuschlag über 2019 hinaus beibehalten. Die Bürger haben erwartet, dass die Steuer nicht endlos weiter erhoben wird. Muss man da nicht von einer Soli-Lüge sprechen? Solms: Der Vorstoß führt zu einem Vertrauensbruch gegenüber den Wählern. Die Bürger haben fest damit gerechnet, dass der Soli in einem überschaubaren Zeitraum entfällt. Das wäre jetzt in weite Zukunft gerückt, sollte sich die Union hier durchsetzen.
10
50,7 Mrd. €
Förderprogramme in den neuen Bundesländern
5
51,7 Mrd. €
0
Differenz zugunsten des Bundes
2005
’06
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2010
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2019
Ost-West-Vergleich Neue Bundesländer
Alte Bundesländer
35 000
Durchschnitt Deutschland 25 %
40 000
20 %
35 000
15 %
30 000
Hermann Otto Solms: „Die Grundlage für den Soli gibt es nicht mehr.“
30 000
Was stört Sie am Soli konkret? Als Schwarz-Gelb unter Helmut Kohl den Zuschlag 1995 wieder einführte, war ich Fraktionschef der FDP im Bundestag. Wir waren uns damals einig: Der Soli sollte zur Finanzierung der Einheit dienen. Nachdem dieser Zweck 2019 ausläuft, ist die Grundlage für den Soli entfallen. Jetzt müssen die Bürger hören, dass das alles Makulatur sei. Die Union will das Geld für andere Zwecke einsetzen.
25 000 20 000 15 000
10 %
10 000
Durchschnittliches Bruttoinlandsprodukt pro Kopf und Jahr in Euro
5 000
25 000
5%
0
20 000
Arbeitslosenquote in Prozent
0% 1991
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1991
1995
2000
2005
2012
15 000 1991
Durchschnittliches Arbeitnehmerentgelt pro Jahr in Euro
1995
2000
2005
2012
Siege und Ni ederlagen Auch im Osten gibt es Erfolgsgeschichten – doch die Abwanderung der Bürger in den Westen geht weiter. Silke Kersting, Norbert Häring Berlin, Frankfurt
D
resden boomt. Der Mikrotechnologie-Cluster in der sächsischen Landeshauptstadt genießt Weltruf. Viele High-Tech-Firmen haben sich angesiedelt. Ebenso Jena: Die thüringische Stadt hat nach der Wende auf optische Technologien gesetzt und gilt heute mit Jenoptik und Carl Zeiss Meditec als Vorzeigestandort. In beiden Städten hat die Bundesregierung nach dem Mauerfall die in der DDR entstandene Grundstruktur in der Mikround Optoelektronik gezielt gefördert. Am Dresdener Stadtrand entstanden so hochsubventionierte Chipfabriken, die noch
„Der Vorstoß der Kanzlerin ist ein Vertrauensbruch“
2019 17,5 Mrd. € 3,1 Mrd. € 1,0 Mrd. €
AUFBAU OST
ddp images
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er Solidaritätszuschlag ist von Mythen umgeben. Ein Mythos lautet, die Ergänzungsabgabe werde allein von den Westdeutschen gezahlt – obwohl auch die Ostdeutschen finanzielle Solidarität mit sich selbst zeigen müssen. Das führt zu einem weiteren Mythos: Der Soli wird als gelebte Solidarität des Westens mit dem Osten dargestellt. Tatsächlich aber betonte die Bundesregierung schon Anfang 1997, der Begriff „Solidarität“ beziehe sich vor allem auf die Ausgestaltung der Abgabe, die „ausnahmslos alle Steuerzahler – entsprechend ihrer ökonomischen Leistungsfähigkeit – belastet. Um solchen Mythen die Grundlage zu entziehen, empfiehlt der Konjunkturchef des Wirtschaftsforschungsinstituts Halle, Oliver Holtemöller: „Der Solidaritätszuschlag sollte in den Einkommensteuertarif eingearbeitet werden, damit die Missverständnisse aufhören.“ Im nächsten Schritt könne man sich dann darüber Gedanken machen, ob die Höhe der steuerlichen Extrabelastung von 5,5 Prozent insgesamt angemessen sei. Für Steuersenkungen gebe es aber nur Raum, wenn Ausgaben gekürzt würden. Auch der Chef des Zentrums für Europäische Wirtschaftsforschung (ZEW), Clemens Fuest, sagte, wer den Soli abschaffen wolle, müsse eine „Gegenfinanzierung“ für den Bundeshaushalt mitliefern. Fuest schlägt vor: „Der Solidaritätszuschlag sollte umbenannt werden in Bundeseinkommenssteuerzuschlag.“ Denn das Geld fließe nicht speziell in die neuen Länder – der Begriff sei „irreführend“. Jenseits semantischer Probleme verteidigte CDU-Generalsekretär Hermann Gröhe am Montag trotz Kritik aus den eigenen Reihen den Vorstoß der Bundeskanzlerin. Er sehe „keinen Entlastungsspielraum in der kommenden Legislaturperiode“, sagte Gröhe nach einer Sitzung des CDU-Bundesvorstands. Die Frage einer Abschaffung des Zuschlags stelle sich deshalb nicht. Das Ziel, den Haushalt in Ordnung zu bringen, bedeute auch, dass umfassende Steuersenkungen – eine Abschaffung des Solis bedeutete eine jährliche Entlastung der Steuerzahler von 13 bis 14 Milliarden Euro – nicht auf der Tagesordnung stehen könnten. Merkel will den Solidaritätszuschlag beibehalten, aber die spezifi-
2014
Wie der Bund am Soli verdient
HERMANN OTTO SOLMS
Werner Schuering/imagetrust
► Ökonomen plädieren für mehr Wahrhaftigkeit.
Handelsblatt | 1) gesetzlich festgeschrieben; 2) zwischen Bund und Ländern vereinbart | Quellen: Destatis, Bund der Steuerzahler, HB, Die Welt, BA, Arbeitskreis Volkswirtschaft Gesamtrechnung der Länder
300,8 Mrd. € Solidaritätszuschlag bis 2017
► Mit Ausnahme der FDP halten alle Parteien am Soli fest.
Forstetzung von Seite 1
STREIT ÜBER SOLIDARITÄTSZUSCHLAG 5
DIENSTAG, 23. JULI 2013, NR. 139
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heute wichtige Standbeine der sächsischen Wirtschaft sind. Auch Unternehmen mit Wurzeln in der DDR haben sich behauptet. Zum Beispiel das Zentrum für Mikroelektronik Dresden (ZMDI). Es wurde vor mehr als 50 Jahren gegründet und galt lange als Herzstück der Mikroelektronikforschung der DDR. ZMDI ist heute weltweit aktiv und auf den Bau von Mikrochips konzentriert, die Autos oder Beleuchtungsanlagen energieeffizienter machen. Es gibt sie, die Positivbeispiele in den neuen Ländern. Einerseits Unternehmen aus der früheren DDR, Rotkäppchen etwa, eine ostdeutsche Sektmarke, die heute auch gern im Westen gekauft wird. Andererseits umsatzstarke Unternehmen wie der Berliner Energieanbieter Vattenfall, eine Tochter des schwedischen VattenfallKonzerns. Doch genau da liegt das Problem: In den neuen Bundesländern sind in der Mehrzahl Tochtergesellschaften internationaler oder westdeutscher Konzerne vertreten. Große Firmenzentralen gibt es so gut wie nicht im Osten Deutschlands. Ausnahmen sind die Deutsche Bahn oder die Dienstleistungsgruppe Dussmann, die ihren Sitz in Berlin haben.
Die Erfolgsgeschichten kommen häufig von Unternehmen mittlerer Größe, etwa Biotronik oder Eckert & Ziegler. Davon profitiert auch der Arbeitsmarkt. Die Arbeitslosigkeit in den neuen Ländern ist derzeit so niedrig wie seit 1991 nicht mehr. Mit knapp 9,9 Prozent beträgt sie allerdings immer noch das 1,7-Fache des Westniveaus. So groß war der Abstand auch von 1994 bis 1997. Bei stagnierender Konjunktur war er allerdings auch schon merklich größer. Hinzu kommt, dass der Wegzug von Arbeitnehmern die Arbeitslosenquote in den neuen Bundesländern gedrückt hat, was zeigt, dass sich die Lebensbedingungen nicht angeglichen ha-
18,7 % der sozialversicherungspflichtigen Stellen in Deutschland liegen in den neuen Ländern.
ben. In den vergangenen zehn Jahren haben die neuen Länder sieben Prozent ihrer Bevölkerung verloren, im Westen betrug der Rückgang nur 1,5 Prozent. Auch beim Blick auf die Beschäftigungsentwicklung gibt es wenig zu feiern. Mitte 1992 stellten die neuen Länder noch knapp 23 Prozent der gesamtdeutschen sozialversicherungspflichtigen Arbeitsplätze. Ende 2012 lag der Anteil mit 18,7 Prozent allerdings so tief wie noch nie seit der Wiedervereinigung. Einzig beim Lohnniveau sind der Osten und der Westen einander näher gekommen. Von 57 Prozent des Westniveaus 1991 stieg das durchschnittliche Lohnniveau im Osten auf 82 Prozent 2012. Seit dem Jahr 2009 hat sich diese Entwicklung jedoch nicht weiter fortgesetzt. Insgesamt spiegelt das auch die Angleichung der Wirtschaftskraft wider – jedenfalls, wenn man sie auf die im Osten deutlich schneller sinkende Bevölkerung bezieht. Von 43 Prozent des Westniveaus stieg die relative Wirtschaftsleistung pro Einwohner bis 2009 auf 72 Prozent. 2012 lag sie mit 71 Prozent des Westniveaus aber wieder etwas niedriger.
Die Kanzlerin will das Geld in Infrastrukturprojekte stecken. Was haben Sie dagegen ? Ich bestreite doch nicht den Finanzierungsbedarf von maroden Brücken oder Straßen. Doch dieser Vorstoß passt zur gegenwärtigen Steuerdiskussion. SPD und Grüne wollen den Menschen über höhere und neue Steuern an den Geldbeutel. Die Union hat ein Füllhorn von Wahlgeschenken ausgebreitet, für den sie den Soli zweckentfremden will. Ich bin aber jetzt schon ein paar Jahre im Bundestag und weiß, was mit solchen Mitteln gerne passiert. Was denn ? Die mittelständischen Unternehmen investieren weit mehr als 50 Prozent ihrer Erträge. Der Investitionsanteil an den Staatsausgaben beträgt nur neun Prozent. Wenn die Einnahmen der Wirtschaft durch Steuern gekürzt werden, führt dies auch zu einer Reduzierung der Investitionen. Damit verspielt man die Zukunft. Allein die Wahlversprechen der Union bewegen sich im zweistelligen Milliardenbereich. Wenn es jetzt heißt, man wolle die Mittel des Soli nach 2019 gesamtdeutsch zweckmäßig einsetzen, habe ich meine Zweifel. Sie glauben nicht, dass das Geld für Investitionen in die Infrastruktur ausgegeben wird? Gestern kamen aktuelle Zahlen zu den Steuereinnahmen im ersten Halbjahr 2013. Der Staat schwimmt im Geld, doch er kommt nie damit aus. Die Koalition hat sich nun dazu durchgerungen, einen strukturell ausgeglichen Haushalt für das Jahr 2014 vorzulegen. Wir wollen das eben nicht wie die Union über höhere Steuern oder die Fortsetzung von finanziellen Belastungen erreichen. Die FDP will den Haushalt konsolidieren, ohne die Steuern zu erhöhen.
Die Fragen stellte Thomas Sigmund.
August March website: www.infineon.com August 5th, 2013 Worldwide by ZMDI, Infineon, Continental, Audi
Neueste Forschung macht’s möglich: Schnelle Fehlerbehebung im Fahrzeug durch ...
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Neueste Forschung macht’s möglich: Schnelle Fehlerbehebung im Fahrzeug durch ...
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Über Continental
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Neueste Forschung macht’s möglich: Schnelle Fehlerbehebung im Fahrzeug durch DIANAForschungsprojekt Presseinformation der Projektpartner des deutschen Forschungsprojekts "DIANA": AUDI, Continental, Infineon Technologies, ZMDI Wirtschaftspresse 5. August 2013 Neubiberg, 5. August 2013 – Ab 2015 könnten sich die Werkstattaufenthalte für Fahrzeuge beträchtlich verkürzen. Möglich wird dies durch die gemeinsame Forschungsarbeit der Unternehmen AUDI, Continental, Infineon Technologies und ZMDI. Im Projekt DIANA haben sie daran geforscht, wie sich die Analyse- und Diagnosefähigkeiten in elektronischen Steuergeräten im Fahrzeug verbessern lassen. In dreijähriger Arbeit sind unter der Leitung von Infineon Verfahren entstanden, mit denen eine differenzierte Fehlererkennung und damit die schnellere Fehlerbehebung in der Werkstatt möglich werden. Mit Unterstützung von Forschungseinrichtungen und Universitäten wurde der Weg bereitet für die "Durchgängige Diagnosefähigkeit in Halbleiterbauelementen und übergeordneten Systemen zur Analyse von permanenten und sporadischen Fehlern im Gesamtsystem Automobil" (DIANA). Die Fahrzeugelektronik ist heute überaus komplex. Durchschnittlich 80 elektronische Steuergeräte gibt es im Auto; im Premiumfahrzeug können es hundert und mehr sein. Erfahrungsgemäß ist in der Fahrzeugelektronik die eigentliche Ursache vieler gemeldeter Fehler nicht einwandfrei feststellbar. Häufig blieb der Werkstatt nur die Möglichkeit, einen Fehler anhand der Fehlerbeschreibung systematisch durch Austausch von Systemkomponenten einzugrenzen und so zu beheben. Auf Basis der in DIANA erarbeiteten Verfahren werden sich Elektronikstörungen im Automobil in Zukunft schneller und deutlich effizienter erkennen und beheben lassen. Entscheidende Grundlage hierfür sind Verfahren der Qualitätskontrolle aus der Produktion der Halbleiterindustrie. Diese Verfahren wurden von den DIANAForschungspartnern so weiterentwickelt, dass die im Fahrzeug verbauten Chips unmittelbar für die Eigendiagnose des Fahrzeugs genutzt werden können. Als Ergebnis daraus können sich vor und während der Fahrt auch die elektronischen Steuergeräte des Fahrzeugs fortlaufend selbst überprüfen. Auf Basis dieser in kontinuierlicher Eigendiagnose gewonnenen Daten lassen sich Fehlfunktionen frühzeitig erkennen, denn die Diagnosedaten werden vorverarbeitet an übergeordnete Systemkomponenten des Steuergeräts übergeben. Davon profitieren die Mechatroniker in der Werkstatt dann bei der Fehlerdiagnose. Eine solche durchgängige Diagnosefähigkeit im Fahrzeug ist erst durch die konzertierten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der DIANA-Forschungspartner realisierbar geworden.
Continental gehört mit einem Umsatz von 32,7 Milliarden Euro im Jahr 2012 weltweit zu den führenden Automobilzulieferern. Als Anbieter von Bremssystemen, Systemen und Komponenten für Antriebe und Fahrwerk, Instrumentierung, Infotainment-Lösungen, Fahrzeugelektronik, Reifen und technischen Elastomerprodukten trägt Continental zu mehr Fahrsicherheit und zum globalen Klimaschutz bei. Continental ist darüber hinaus ein kompetenter Partner in der vernetzten, automobilen Kommunikation. Continental beschäftigt derzeit rund 173.000 Mitarbeiter in 46 Ländern. Weitere Informationen unter www.continental-corporation.com. Über ZMDI Die Zentrum Mikroelektronik Dresden AG (ZMDI) ist ein weltweiter Anbieter von Analog- und Mixed-SignalHalbleiterlösungen für Automobil-, Industrie-, Medizin-, Mobile Sensing-, IT- und Verbraucheranwendungen. Diese Lösungen ermöglichen unseren Kunden, Produkte im Bereich Power Management, Beleuchtung und Sensoren zu entwickeln, die für ein Höchstmaß an Energieeffizienz sorgen. Seit mehr als 50 Jahren befindet sich der Hauptsitz von ZMDI in Dresden. Mit mehr als 350 MitarbeiterInnen weltweit betreut ZMDI seine Kunden mit Verkaufsstellen und Entwicklungscentern in Deutschland, Italien, Bulgarien, Frankreich, Irland, Japan, Korea, Taiwan und den Vereinigten Staaten. Weitere Informationen unter www.zmdi.com. Pressekontakte: AUDI AG Armin Götz Kommunikation Produkt / Technik Telefon: +49 (841) 89-90703 E-Mail: armin.goetz@audi.de Continental AG Simone Geldhäuser Externe Kommunikation Division Powertrain Telefon: +49 (941) 790-61302 E-Mail: simone.geldhaeuser@continental-corporation.com ZMDI Freda von Kopp Marcom Creative Manager Corporate Marketing and Communications Telefon: +49 (351) 8822-204 E-Mail: freda.vonkopp-colomb@zmdi.com
Über Infineon Die Infineon Technologies AG bietet Halbleiter- und Systemlösungen an, die drei zentrale Herausforderungen der modernen Gesellschaft adressieren: Energieeffizienz, Mobilität sowie Sicherheit. Mit weltweit rund 26.700 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern erzielte Infineon im Geschäftsjahr 2012 (Ende September) einen Umsatz von 3,9 Milliarden Euro. Das Unternehmen ist in Frankfurt unter dem Symbol "IFX" und in den USA im Freiverkehrsmarkt OTCQX International Premier unter dem Symbol "IFNNY" notiert.
Informationsnummer
Bewähren sich die Diagnosetechniken im Fahrzeug, bieten sich weitere sicherheitsrelevante Anwendungsfelder an, z.B. in anderen Verkehrssystemen wie Bahn oder Flugzeug oder auch in der Medizintechnik.
INFXX201308.059
Das Projekt DIANA wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der HightechStrategie der Bundesregierung und des Programms "Informations- und Kommunikationstechnologie 2020" (IKT 2020) mit einem Beitrag von etwa 4,8 Millionen Euro gefördert. Schwerpunkte des IKT 2020-Programmes sind unter anderem Automobil und Mobilität; Ziel ist es, die Robustheit der Fahrzeugelektronik maßgeblich zu verbessern.
Bezugsquellen für Infineon-Produkte
Weitere Projektbeteiligte
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Unterstützt wurden die vier Projektpartner von dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen Dresden, der Universität der Bundeswehr München und den Universitäten Cottbus, Erlangen-Nürnberg und Stuttgart. Über AUDI
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Die AUDI AG hat als Automobilhersteller im Premiumsegment im Jahr 2012 weltweit 1.455.123 Automobile an Kunden ausgeliefert. Das Unternehmen entwickelt und produziert in Deutschland an den Standorten Ingolstadt und Neckarsulm sowie an acht weiteren Auslandsstandorten. Mit derzeit mehr als 70.000 Mitarbeitern erzielte der AUDI Konzern, zu dem auch die Marken Lamborghini und Ducati zählen, im vergangenen Jahr einen Umsatz von 48,8 Milliarden Euro.
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http://www.infineon.com/cms/de/corporate/press/news/releases/2013/INFXX201308-... 15.10.2013
http://www.infineon.com/cms/de/corporate/press/news/releases/2013/INFXX201308-... 15.10.2013
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Sensor signal-conditioning ICs ease the design of sensor systems
Table 1: List of correction algorithms for an SSC showing the number of calibration points and the correction factors applied.
Cost effective and power efficient, sensor-signal-conditioning ICs deliver high precision and accuracy if implemented properly BY DAVID GRICE Field Application Engineer, ZMDI, www.zmdi.com
T
he market for sensors and sensor-related components is a high-growth industry expected to expand in automotive, industrial, medical, and consumer applications. Products such as media players, tablet PCs, and smartphones are driving significant growth in the sensor market, requiring a related increase in the number of designers and manufacturers integrating sensors into modules for resale or for their own products. The wide range of sensing element types and demands for faster time to market and lower costs present numerous challenges, even for veterans of sensor design. The perennial challenge for sensor interface designers is correcting and calibrating the inherent non-idealities present in transducers, typically offset and nonlinear response to stimulus with a temperature dependence for one or both of these factors. There are a host of custom design approaches and solutions to this problem, but the availability of commodity integrated circuits offers designers new choices that are powerful and cost-effective. By combining precise, programmable analog circuitry with high-density digital controllers dedicated to processing correction algorithms, these sensor-signal-conditioner (SSC) ICs reduce the design time and cost of sensor systems while providing the designer with a menu of built-in capabilities and support tools for implementing sensor correction. Understanding the sensor’s characteristics and how to configure its corresponding SSC are key ingredients for obtaining optimum performance and keeping costs low.
Overview of sensor correction Transducers exhibit various types and degrees of offset and nonlinear response. The basic idea of calibration and correction is to maximize the usable range and transform the nonlinear response into a predictable linear output that minimizes the error in the sensor output. The nature
Fig. 1: Typical sensor responses to input stimulus.
of non-idealities varies widely between sensor types, and the difficulty and complexity of applying corrections increase in proportion to the magnitude and degree of these undesirable effects. Figure 1 illustrates several types of sensor responses. Each has different basic characteristics and related correction issues. S1 has low offset and relatively low nonlinearity. S2 has a narrow span but a very high offset, which must be removed before applying sufficient gain to create a useful signal level. S3 has a sharp “knee,” and piecewise linear correction is generally a good option for these types of nonlinearities. S4 has an inflection point and would require at least a third-order polynomial correction to achieve a high accuracy over the entire measurement range. Another important factor to consider is how these sensors behave over temperature. Figure 2 shows a typical scenario for the temperature variation of a sensor element. In this case, the offset increases
OCTOBER 2013 • electronicproducts.com • ElECTROniC PROduCTs
while the span decreases with increasing temperature. The challenge is to understand what the exact nature of the dependence is and remove its contribution to system error. Plotting the offset and gain versus temperature will reveal another set of curves with linear, quadratic, or higher-order dependence on temperature.
Fig. 3: Block diagram of a sensor signal conditioner IC.
stored in nonvolatile memory. In addition, this device performs auxiliary operations including temperature sensing and bridge biasing, and it has multiple communication interfaces. It represents a complete solution for interfacing and correcting the output of a sensor bridge, providing a precise, accurate, and compensated sensor output.
Not having the flexibility and availability of more sophisticated correction techniques could require significant redesign. It is vitally important for the sensor system designer to understand the characteristics of the sensor across the input measurement range and over the operating temperature range. Some of the more important considerations includethe more important considerations include
Hardware implementation The block diagram shown in Fig. 3 presents a practical and cost-effective approach to sensor calibration and correction. It is a 16-bit resolution resistive-bridge sensor signal conditioner with built-in correction algorithms capable of compensating for a variety of undesirable sensor characteristics. A proprietary microcontroller with 18-bit digital signal processing (DSP) performs the necessary calculations for the correction algorithms using calibration coefficients
Getting to know your sensor One of the most important and effective tasks that the designer can carry out is a thorough characterization of the sensor element. Time and effort invested in this important step will pay off in the long run by reducing overall design time and development costs, improving the overall system performance and robustness, and ultimately reducing production test time and cost. It is tempting to rush through this part of the product development cycle, but experienced sensor system designers will testify to the importance of spending the necessary time and resources to characterize and analyze sensor data before proceeding to the next step of developing an optimized sensor correction algorithm. For example, consider the response curve of sensor S3 in Fig. 1. If the input range is limited to between 10% and 30% or 60% and 90%, a first-order gain and offset correction algorithm might suffice, depending on temperature variations. However, if the sensor must operate across the entire sensor input range, a more sophisticated correction algorithm is needed. Even if the intended range of operation appears to be confined to one of the linear regions, consider what would happen if a future lot of sensors were to shift so that the knee of the curve moved into what was previously a linear region?
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Fig. 2: Sensor output variation over temperature.
Each individual sensor element will have its own characteristic span and offset with respective temperature dependencies. The type of correction algorithm applied must also account for the type and degree of these differences across variations such as process tolerances, shifts between manufacturing lots, or package stress effects introduced in the next assembly level.
• The shape and order of the sensor response over the desired measurement range, including at least a 10% margin outside the expected minimum and maximum values. • The type and order of temperature dependence for offset and span. • The consistency of the measured parameters. Consider what would be the effect on the correction algorithm if future manufacturing lots have a shift in a significant feature such as an inflection point or the sign of a temperature coefficient. • Whether the characterization data set is adequate and statistically significant. This includes the number of devices tested and the number of points measured for each. • How much error the data acquisition system contributes to the characterization. • Selecting and implementing the best correction technique
production. With the sensor characterization data in hand, the degree and type of correction required for gain and offset can be matched with the best algorithm available in the SSC. Table 1 is a list of the some typical algorithms available in commercial ICs. The algorithms are organized by the type and degree of correction, and the second column indicates how many measurement points are needed to calculate the calibration coefficients for each algorithm. The next columns list the element of correction each calibration method applies and describe the sensor characteristics that must be isolated and quantified to determine the optimal algorithm. TC refers to the temperature coefficient. Eliminate algorithms that correct for negligible effects in the particular system and choose the one with the least number of measurement points.
Once the sensors have been characterized and the dataset is evaluated, the next Fig. 4: Screen capture of software aid for selecting and step is to narrow the field evaluating calibration methods. of correction options. The SSC manufacturers usually provide ultimate goal is to produce measurement hardware and software for their devices results that meet sensor product accuracy that allow selecting and evaluating the calrequirements with the minimum number ibration methods quickly and easily. Softof points necessary for calibration during Advertisement
October March electronicJOURNAL October 2013 Germany by Dr. Marko Mailand
Aktive Bauelemente ASIC
Unter der Haut
Aktive Bauelemente ASIC
NFC- und Sensor-Komponenten auf einem Chip zur In-Vivo-Blutanalyse
M
it mehreren Millionen registrierten Erkrankungen ist Diabetes heute eine Volkskrankheit und eine der wesentlichen Ursachen für zahlreiche Kreislauferkrankungen. Medizinisch unterscheidet man zwischen Patienten, bei denen die Bauspeicheldrüse kein Insulin produziert (Diabetes Typ-1) und Betroffenen, bei denen der Körper eine Resistenz gegen Insulin zeigt (Diabetes Typ-2). Insbesondere die Typ1-Diabetes erfordert eine möglichst kontinuierliche Überwachung des Blutzuckerspiegels.
Funktionsweise des In-Vivo-Glukose-Biosensors zeigt, dass der
per NFChat mitdas Mobilgeräten Zur Lösung diesesSensor Problems Unternehmen Senseonics einen Fluoreszenz-Sensor entwickelt,kommuniziert. der die Basis für ein implantierbares, kontinuierliches Glukosemesssystem bildet. Das neuartige Sensor-Systemkonzept ist neben der kontinuierlichen Glukosemessung auch auf eine ganze Reihe weiterer Anwendungen adaptierbar. Die Elektronik des ambulant implantierbaren (in-vivo) Sensor-Moduls (Bild 1) ist in einem speziell für Senseonics entwickelten ASIC von ZMDI integriert. Das elektronische Systemkonzept basiert auf der Nutzung ISO-kompatibler Nahfeld-KommuniBild 3: Sensor-System-Topologie: Der aktive Reader (links, NFCMaster) versorgt und kontrolliert den passiven NFC-Sensor-Transponder.
Aktive Bauelemente ASIC
Tabelle: Optionen und Eigenschaften des Multi-Sensor-Front-Ends
Bilder: ZMDI
Spezifische Kommunikations- und Sensortechnologien mit modernsten biochemischen Lösungen kombiniert: Mit diesem Halbleiter adressiert ZMDI die kontinuierliche telemedizinische Überwachung von Blutparametern. So sollen zum Beispiel Diabetes-Patienten mehr über ihren Blutzuckerspiegel erfahren, ohne sich Blut zu entnehmen. Dr. der Marko Mailand Bild 2: DasAutor: Prinzipbild
Mess-/Sensor-Typ
Messbereich
Fotodioden-Strom
1,16 µA
Maximale Empfindlichkeit
Temperatur
+15 … +50 °C
18 mK/count
Externe Spannung
-1,5 … +1,5 V
1,2 mV/count
Feldstärke (Iclamp)
140 mW
10 µW/count
Spannung: LED-Treiber
1,6 V
1 mV/count
Diagnose – Optik
1,16 µA
4,5 pA/count
Diagnose – Temperatur
+15 … +50 °C
18 mK/count
4,5 pA/count
Im ASIC ermitteln eine ganze Reihe an Sensoren wichtige Daten über den Patienten. Quelle: ZMDI.
kation (NFC) und -Energieversorgung (ISO15693, zukünftig auch ISO14443-3) mittels loser, induktiver Kopplung. Befehle (zum Beispiel Messen, Daten speichern, Daten lesen, Diagnose), Daten und Energie werden dabei drahtlos vom NFC-Master zum implantierten Sensor-Modul, dem NFC-Sensor-Transponder, übertragen (Bild 2). Letzterer steuert den Ablauf, führt die jeweiligen Messaufgaben durch und sendet die Daten zurück an den NFC-Master, welcher die einzelnen Messwerte zum Beispiel in einen Glukosewert umrechnet. Der NFC-Master kann beispielsweise als ein spezifisches Armbandgerät ausgeführt oder auch direkt in einem Smartphone integriert sein. Durch die Kombination von Wireless-NFC-Technologie mit einem optischen Signalübertragungsweg für die Bestimmung der Blutparameter – speziell der Glukosekonzentration – wird aufbautechnisch eine komplette Verkapselung des implantierbaren NFCSensor-Transponders möglich. Da nun aber auch die Energieversorgung drahtlos geschieht und das Sensor-Modul folglich batterielos agiert, ist die Lebensdauer nur noch durch inhärente Sensoreigenschaften begrenzt – das ist im Wesentlichen das Nachlassen der Fluoreszenzintensität des biochemischen Indikators, der sich auf der Außenseite des Sensors befindet. Bild 1: Der Fluoreszenz-Sensor von
Bild: fotolia: Kurhan
NFC/RFID-Kompatibilität Senseonics misst nur 15 mm x 3 mm;
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elektronikJOURNAL 05/2013
Wesentliche Anwendungsvorteile füreindie Patienten resultieren aus er dient als Basis für implantierbader Integration von Kommunikationsres ISO-standardkompatiblen Glukosemesssystem. und Power-Management-Komponenten. Die aktuelle ASIC-Version implementiert ein ISO15693-Transponderinterface. Das analowww.elektronikjournal.com ge ISO-Frontend nutzt einfache Amplitudendetektion zur Demodulation und ein steuerbares Lastverhalten mittels einer ClampSchaltung zur passiven Rückmodulation. Bei Letzterem wird das Magnetfeld mit der Modulationsfrequenz von ungefähr 423,75 kHz entsprechend gedämpft; diese Dämpfung detektiert dann der www.elektronikjournal.com
Bild 4: Die Systemsteuerung und der Messablauf ermöglichen bis zu acht Messungen pro Zyklus.
sind im ASIC speziell geformte, stetige Ein/Ausschalt-Rampen in der Power-Management-Einheit integriert. Dadurch werden die Spektralanteile, verursacht durch das Schalten, in einen Bereich um die 400 kHz verschoben – das relevante Passband liegt aber bei Reader oder NFC-Master. Der Anwendungsvorteil der ASIC-Rea13,56 MHz ±1 MHz. Das Datensignal wird somit nicht gestört. lisierung als passiver Transponder liegt auf der Hand: im SensorModul wird keine Batterie benötigt, und es besteht damit keine On-Chip-Sensorik Einschränkung der Lebenszeit und In-Vivo-Verbleibedauer aufDas Hauptmessprinzip zur Ermittlung der Glukosekonzentration grund von Energieversorgungseigenschaften. nutzt zwei optische Kanäle. Eine vom ASIC gespeiste UV-LED emittiert Licht, welches von der Kapseloberfläche zurückgeworfen Störungen vermeiden wird. Ein Spektralanteil besteht dabei genau aus dem emittieren Die besondere Herausforderung besteht nun darin, zu verhindern, UV-Licht und beinhaltet keinerlei Nutzinformation. dass der Reader jedes Last-Schaltverhalten der digitalen und anaDer Hauptspektralanteil jedoch, resultiert aus der Fluoreszenz logen Baugruppen, insbesondere des Sensor-Teils, als Rückmoduder Indikatorchemikalie an der Außenseite des Sensormoduls. lation fehlinterpretiert (Bild 3). Zusätzlich muss gewährleistet sein, Hierbei werden genau nur jene Indikatoren zur Fluoreszenz angedass für eine Sensor-Messung oder einen Messzyklus ausreichend regt, an welche sich Glukosemolekühle gekoppelt haben (Bild 2). Energie zur Verfügung steht. Dabei gilt, dass die Intensität der Fluoreszenz direkt von der KonDie größten Stromverbraucher des ASICs sind der Analog-Digizentration der Glukose abhängt. Beide Spektralanteile (UV-Reflektal-Wandler sowie der LED-Treiber beziehungsweise die LED an tion und Signal-Fluoreszenz) werden von spektral selektiven Onsich. Diese brauchen etwa 0,35 mA bei einer intern geregelten Chip-Fotodioden detektiert und im ASIC analog aufbereitet und Spannung von 2,8 V (ADC) oder bis zu 2 mA bei der ungeregelten digitalisiert. Betriebsspannung Vsup ~ 4 V (LED) entsprechend der Topologie in Alle biochemischen Prozesse sind temperaturabhängig. Zur Bild 3. Um trotz dieser notwendigen Lastunterschiede keine unerKompensation dieses Einflusses ist im ASIC ein hochgenauer Temwünschten Frequenzanteile in der Luftschnittstelle zu generieren peratursensor integriert. Über diesen kann auf weniger als 0,2 K genau die tatsächliche Temperatur des Sensor-Moduls und des umgebenden Gewebes bestimmt werden.
Auf einen Blick Alles drin Selbstdiagnose
Darüber hinaus sind im ASIC mehrere Eigendiagnostik- und ApEin besonderer ASIC von ZMDI nutzt NFC zur Kommunikation und plikations-Status-Sensoren integriert. Beiundder Eigendiagnostik Energieversorgung, kombiniert mit dem Treiber für eine UV-LED werden dem Temperaturmesspfad oder dem optischen Messpfad den entsprechenden Photo-Sensoren sowie der Signalaufbereitung (über die Fotodioden) vordefinierte hinzugefügt, und -Verarbeitung. Mit diesem Chip hat Senseonics eine Schaltungsoffsets implantierzu einer bekannten, erwarteten bare Lösung zumdie Messen von Blutparametern entwickelt.Änderung des Analog/DigitalWandler-Ergebnisses im Verhältnis zur entsprechenden Nicht-DiinfoDIREKT agnostik-Messung www.all-electronics.deführen müssen. Dadurch 505ejl0513 lassen sich eventuelle ASIC-interne Alterungs- oder Drift-Effekte auch im implantierten Zustand des Sensors erkennen. elektronikJOURNAL 05/2013 29 Der On-Chip-Statussensor zur Messung der aktuell verfügbaren Feldstärke ermöglicht es, dem Patienten mitzuteilen, ob die Kopplung, sprich die Lage des NFC-Masters relativ zum Sensor-Modul, ausreicht oder verbessert werden muss, um genügend Energie für den Betrieb zu übertragen. Auf diesem Weg kann der Sonsor den NFC-Master auch informieren, wenn die Übertragungs- oder Sendeenergie sinken darf – falls die induktive Kopplung gerade mehr 30
elektronikJOURNAL 05/2013
als ausreichend ist. Das ermöglicht eine Situations-optimale, energieeffiziente Systemauslegung der gesamten Applikation (NFC/ Sensor-Transponder in Zusammenspiel mit NFC-Master). Die Tabelle zeigt die entsprechenden Dynamikbereiche und Empfindlichkeiten der integrierten Sensoren.
Adaptierbarkeit durch digitale Steuerung Die digitale Steuerung der einzelnen Sensorkanäle erlaubt bis zu acht unterschiedliche Messungen pro Messzyklus. Ein Messzyklus ist dabei die tatsächliche Reaktion des NFC/Sensor-Transponders auf einen einzelnen Messbefehl des NFC-Masters. Je nach den gewünschten Informationen sowie der dafür notwendigen Messabfolge werden in einem Zyklus Messungen mit und ohne emittierender LED durchgeführt (Bild 4), die Einzelwerte in On-ChipRegistern zwischengespeichert und nach Beendigung aller Messungen die gesammelten Ergebnisse über die NFC-Schnittstelle übermittelt. Die einzige Begrenzung liegt dabei darin, dass der NFC-Master entsprechend der ISO-Standards eine Antwortzeit von maximal 20 ms zulässt. Ein Messzyklus inklusive Setup und Antwort muss somit innerhalb dieser Zeit geschehen, um kein NoResponse-Timeout-Ereignis auszulösen. Die Auswertung und Interpretation der einzelnen Sensor-Messwerte geschieht dann softwarebasiert auf der NFC-Master-Seite. Die freie Konfigurierbarkeit des Messzyklus’ ermöglicht die Anwendung des ASICs und seiner Einzelsensoren in verschiedenen Applikationen. So sind neben der Glukosemessung beispielsweise auch Messungen für Blutsauerstoff, Blutalkohol und vieles mehr denkbar. Hierfür kann das elektronische Sensor-System einfach angepasst werden – es bedarf dafür aber anderer biochemischer Indikatoren.
Im Test Derzeit befindet sich das erste Gesamtsystem von Senseonics zur Glukosemessung in der klinischen Erprobung in den USA, Kanada, Großbritannien, Deutschland und Indien. Die Entwicklung dieses Systems und des zugrunde liegenden NFC/Sensor-Transponder-ASICs von ZMDI ist dabei ein erster Schritt auf dem Weg zu vollständig autonomen, robusten telemedizinischen und klinischen Anwendungen, die sich vollständig in den normalen Alltag integrieren lassen. (lei) n Der Autor: Dr. Marko Mailand ist Projekt Manager für MixedSignal-IC-Entwicklung im Bereich Medical, Consumer und Industrial bei ZMDI in Dresden. www.elektronikjournal.com
November March Medical Design Briefs November 2013 U.S. by Uwe G端nther and Andrew DeHennis
March
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