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L'électronique Liebherr de Lindau : fonctionnellement fiable et robuste

Incroyable - Difficilement mesurable - Mais simulé avec précision

Lorsqu'il s'agit de solutions électroniques spécifiques à une application, le groupe Liebherr se concentre sur Liebherr-Elektronik GmbH à Lindau, sur le lac de Constance. Près d'un quart des effectifs de cette société - 580 employés au total - travaille dans le domaine de la recherche et du développement, et de plus en plus de personnes utilisent les logiciels de simulation d'Ansys et de CADFEM pour accélérer les développements sophistiqués.

Les ensembles et composants électroniques de haute qualité de Lindau jouent un rôle décisif dans les nombreuses machines développée par l'entreprise, par exemple dans les machines de construction, dans l'aviation ou dans l'ingénierie du trafic. En outre, de nombreux clients externes issus de divers secteurs font confiance aux solutions électroniques sophistiquées et durables de Liebherr.

Liebherr à Lindau : une simulation électronique à fort potentiel

Après la conclusion d'un accord-cadre entre Liebherr et Ansys en 2019, tous les employés du secteur du développement peuvent désormais accéder à l'ensemble du portefeuille de simulation d'Ansys sans investissement logiciel supplémentaire. Par conséquent, en plus des calculs effectués jusqu'à présent pour la mécanique des structures et des fluides, de plus en plus d'applications de simulation électromagnétique et électronique sont désormais réalisées, notamment chez Liebherr-Elektronik GmbH à Lindau.

En tant que partenaire de Liebherr depuis des décennies pour les simulations numériques, à Lindau, CADFEM soutient également le développement, en fournissant des services de conseil supplémentaires, grâce aux travaux préliminaires et/ou la formation des utilisateurs.

L'entrée dans la simulation électronique a commencé à Lindau avec plusieurs ateliers de simulation organisés par CADFEM. L'intérêt et la participation à ces ateliers étaient élevés et ont suscité l'enthousiasme pour la simulation chez de nombreux employés du développement. Lars Hummel, qui développe des composants aérospatiaux chez Liebherr-Elektronik GmbH, explique : "Nous avons beaucoup appris, et pas seulement sur la simulation. Les développeurs électroniques expérimentés ont appris à maîtriser les défis futurs. Même les collègues plus jeunes ou plus récents ont pu prendre un bon départ dans le monde de la simulation électronique... certains d'entre eux ont réalisé leurs premières simulations immédiatement après, principalement avec des problèmes thermiques."

Afin d'approfondir les connaissances et d'exploiter les avantages potentiels de manière aussi complète que possible, trois centres de compétences en simulation ont été créés à Lindau, dans le secteur de l'électronique :

  • Gestion thermique
  • Intégrité du signal
  • Intégrité de la puissance

Dans le même temps, les utilisateurs clés correspondants ont été désignés et un échange intersite a été encouragé. De cette manière, le savoir-faire accumulé en matière de simulation peut être mis en commun, afin de mieux apprendre les uns des autres, dans le cadre du développement, pour ainsi trouver et de tirer parti des synergies. Cela permet de réduire le nombre de prototypes réels, d'accélérer le développement et d'accroître l'efficacité en termes de temps et de coûts, dans le but de garantir et d'élargir les parts de marché pour lesquelles on s'est battu.


Garantir l'intégrité du signal à haute fréquence

Même pour les projets à grande vitesse dans le domaine du développement électronique, la simulation est absolument nécessaire. Chez Liebherr à Lindau, on développe notamment des systèmes pour la climatisation des avions ainsi que des commandes de vol, de volets et de trains d'atterrissage. Il est presque impossible de garantir l'intégrité des signaux dans la gamme des hautes fréquences en utilisant les méthodes de mesure conventionnelles, car les mesures elles-mêmes peuvent entraîner une corruption importante des signaux.

Lars Hummel explique : "Dans le cadre d'un projet de pré-développement actuel pour l'avionique, nous préparons le développement de notre prochaine génération de produits numériques. Dans le cadre de ce projet de pré-développement, l'accent est mis sur les connexions à haut débit entre les processeurs multicœurs, la mémoire, les FPGA et les interfaces, dont certaines sont encore en phase de développement chez les fabricants eux-mêmes." Pour que les composants du système, dont le cycle est nettement plus élevé, fonctionnent ensemble de manière fiable, le développement de Liebherr doit relever de nouveaux défis qui diffèrent sensiblement de tous les précédents. Il ne suffit pas de s'appuyer sur l'expérience existante en matière d'agencement et de matériel, comme c'était le cas auparavant. Il est de plus en plus nécessaire de simuler les nouveaux composants critiques du circuit le plus tôt possible dans la phase de développement. À cette fin, des boucles de développement - composées de phases de simulation et d'optimisation - sont exécutées jusqu'à ce que les résultats de la simulation répondent sans problème à toutes les exigences.

Assurer l'intégrité du signal grâce à la simulation

L'architecture d'un projet de pré-développement actuel, qui est principalement axé sur la conception à haut débit, prévoit une communication à haut débit entre les processeurs multicœurs et les FPGA, ainsi qu'entre les FPGA eux-mêmes via un bus de données à haut débit. Cette communication est basée sur une topologie série point à point en duplex intégral, composée d'un dispositif racine et de plusieurs dispositifs d'extrémité. Les interfaces d'horloge et de données à grande vitesse internes au dispositif sont conformes à la norme HCSL (High Speed Current Steering Logic), qui a été définie spécifiquement pour la transmission de données à grande vitesse. Dans ce cas, les signaux numériques sont transmis de manière différentielle et à basse tension.

HCSL est la norme pour diverses horloges express à haute vitesse, et c'est une sortie à émetteur ouvert avec une source de courant de 15 mA qui nécessite une résistance externe de 50 Ω à la terre pour que la sortie commute. La HCSL est spécifiée pour une impédance de 50 Ω en simple ou 100 Ω en différentiel. La liaison haut débit à voie unique mise en œuvre consiste en une paire différentielle d'émission et de réception qui sont couplées en courant alternatif. Les voies d'émission et de réception sont indépendantes et le récepteur récupère l'horloge du flux de données. Les données sont codées 8b/10b et le taux de transmission est de 2,5 Gbits/s.

Le diagramme de l'œil fournit des informations sur la qualité du signal

La désaccentuation peut être appliquée à l'émetteur pour renforcer les signaux à haute fréquence afin de répondre aux exigences du niveau de l'œil au niveau du récepteur. À l'aide d'Ansys SI-Wave, les lignes de signaux pertinentes sont importées de la première version du layout et intégrées dans la simulation. En plus de nombreux paramètres, le diagramme en œil peut être utilisé pour montrer graphiquement comment les signaux d'émission correspondent aux valeurs requises du côté du récepteur ou quelle est l'importance de la gigue et du rapport signal/bruit.

Le diagramme de l'œil

Dans le diagramme en œil suivant, la zone verte au centre montre les limites du signal (niveau en fonction du temps) requises par le récepteur. Les signaux simulés sont représentés en bleu et indiquent l'évolution attendue du signal, qui peut être influencée par diverses optimisations dans la conception du circuit, dans la conception de la disposition ou du côté de l'émetteur ou du récepteur.

TDR-Simulation

Afin de trouver les défauts dans la conception, une réponse TDR (Time Domain Reflectometry) peut être simulée avec la simulation Ansys SI-Wave, avec laquelle les positions de défaut (grande oscillation de la réflexion) deviennent visibles pour la transmission. A partir de cette forme d'onde TDR, on peut voir - en raison des changements d'impédance – qu’il y a de fortes réflexions sur le chemin du circuit.

Lokalisierung der Stoerstellen

La différence entre les propriétés électriques de deux segments est la cause de l'une des grandes réflexions observées dans l'onde TDR, dans la section de mise en page suivante. Les paramètres de la ligne de transmission du premier segment doivent être ajustés pour correspondre à ceux du second segment. Il s'agit d'un premier ajustement grossier qui sera suivi d'autres ajustements fins.


Même les calendriers serrés peuvent être respectés grâce à la simulation

"Le projet de pré-développement était également important pour nous permettre de mieux connaître les processus de développement et de simulation, ainsi que de détecter et d'éliminer les éventuelles pierres d'achoppement", souligne Lars Hummel. "Une fois que le chemin a été emprunté et documenté, il est plus facile pour les autres de le suivre et de progresser beaucoup plus rapidement." La simulation joue aussi un rôle de plus en plus important pour le respect des délais serrés. C’est un argument de poids pour convaincre les clients que Liebherr est le bon partenaire de développement pour les produits de nouvelle génération. En effet, Liebherr peut présenter à la fois le savoir-faire requis et les outils efficaces nécessaires.

Dans l'industrie aéronautique en particulier, la fiabilité des produits livrés est cruciale, par exemple en termes d'intégrité des signaux. Pour cela, il faut non seulement fournir la forme souhaitée des signaux, mais aussi prendre en compte des tampons de sécurité suffisants pour les valeurs caractéristiques requises afin d'obtenir un système robuste. Ceci est plus facile à réaliser avec des simulations. "Par le passé, nous avons souvent chargé des spécialistes externes d'effectuer des calculs, mais nous ne pouvions tirer que des conclusions très limitées de la simulation", rapporte Lars Hummel. "Dans certains cas, il était difficile de comprendre les résultats en détail et de les classer correctement. En outre, si de petites modifications du modèle de simulation étaient nécessaires, nous devions organiser une nouvelle mission. C'était fastidieux et coûteux. Mais maintenant que nous effectuons les simulations de manière indépendante, nous acquérons la compréhension détaillée nécessaire et sommes devenus beaucoup plus flexibles. De cette façon, nous respectons pleinement nos normes d'ingénierie et obtenons une solution optimale en peu de temps grâce à la simulation."

Études de faisabilité avec Ansys HFSS

La simulation permet de vérifier dès la phase de conception si l'intégrité du signal répond aux exigences respectives et si le chemin choisi est accessible. Les études de faisabilité réalisées dans Ansys HFSS permettent déjà de répondre à de nombreuses questions fondamentales. Par exemple, comment l'architecture des commandes électroniques doit-elle être conçue ? Comment les signaux seront-ils traités ? Où les connexions seront-elles placées sur la carte de circuit imprimé ? Où les câbles plats sont-ils nécessaires et quels types de connecteurs peuvent être utilisés ?

Un critère important pour l'intégrité de l'alimentation est d'apporter une alimentation suffisante aux différents circuits intégrés. Des simulations peuvent être utilisées pour analyser si le courant circule dans tous les VIA proposés. Cela montre quelles modifications peuvent être utilisées pour obtenir une charge aussi régulière que possible. Cela se fait-il avec quelques VIA très puissants ou plutôt avec plusieurs VIA standard dans une disposition spéciale ? Pour de telles questions, la simulation fournit des indications très instructives pour la conception d'un design robuste, ce qui n'est pas si facile ou pas du tout réalisable avec des tests.

Mais maintenant que nous effectuons les simulations de manière indépendante, nous acquérons la compréhension détaillée nécessaire et sommes devenus beaucoup plus flexibles. De cette façon, nous respectons pleinement nos normes d'ingénierie et obtenons une solution optimale en peu de temps grâce à la simulation.

Lars Hummel, Liebherr-Elektronik GmbH

Maîtriser les exigences croissantes grâce à la simulation

Jusqu'à présent, les aménagements ont été basés sur la grande expérience du développement de Liebherr. Mais avec l’accroissement des exigences et de la complexité, les méthodes traditionnelles ne sont plus suffisantes. L’expérience étendue du développement et les règles propres à l'entreprise (directives) établies dans le passé, sont soutenues de manière significative par l'expansion progressive de la simulation.

"Notre expérience montre que nous pouvons utiliser la simulation pour analyser en détail le comportement des différents composants et ainsi mieux comprendre et développer l'ensemble du système", explique Lars Hummel. "En respectant nos propres critères de qualité élevés, nous garantissons également à nos clients la sécurité promise concernant la fonctionnalité des produits."

Liebherr-Elektronik GmbH
Lars Hummel
www.liebherr.com/lindau

Auteur: Gerhard Friederici, CADFEM
Images: © Liebherr, Dassault
Publié : Juin 2022

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