Správny výber a návrh napájacieho zdroja; Elektronika - dnes

Napájanie je podstatným prvkom každého elektronického projektu. Rozhodnutie navrhnúť alebo kúpiť zdroj energie potrebný pre aplikáciu je často nesmierne dôležité. Najefektívnejší a najpraktickejší prístup závisí od niekoľkých kritérií a neexistuje univerzálny prístup.

Existujú tri hlavné možnosti, aj keď zložitejšie systémy by mohli byť založené na kombinácii všetkých troch. Prvá možnosť je najlepšie známa skúseným inžinierom v elektronickom dizajne, konkrétne vlastný napájací obvod, aj keď bude často zahŕňať kombináciu štandardných, bežne dostupných výkonových radičov, spolu s diskrétnymi výkonovými tranzistormi a pasívnymi súčiastkami na filtrovanie a úpravu. Druhou možnosťou je modul, ktorý obsahuje kombináciu komponentov nájdených vo vlastnom riešení, ktoré je k dispozícii v jednom „balíku“, s externými uzemňovacími kolíkmi a vstupným a výstupným pripojením k elektrickému vedeniu. Takéto moduly sú často úplne zapuzdrené z dôvodu ochrany životného prostredia a ľahkého spojenia. Tretia možnosť zahŕňa existujúce zdroje napájania na poličke, jedná sa o sériové výrobky, ktoré je možné zakúpiť v závislosti od potrieb projektu: úplne zapuzdrené alebo otvorené (typ s otvoreným rámom). Plne zapuzdrená verzia je preferovaná pre systémy, kde je vyžadovaný prístup používateľa, pretože poskytuje najvyššiu úroveň zabezpečenia.

Rozhodnutie použiť vlastný dizajn, nakonfigurované moduly alebo štandardné napájacie zdroje môže byť často otázkou tradície. „Je to spôsob, ako som to vždy robil“, nemusí byť nevyhnutne nesprávnou odpoveďou, ale môže ísť o záver získaný zo skúseností, ktorý by sa nemal ľahko zvrátiť, ale je to ten, ktorý si zaslúži prehodnotenie nového projektu, pričom okolnosti a technológie sa budú vyvíjať smerom k iný prístup.

Napríklad legislatíva je pohyblivým cieľom po celom svete a tí, ktorí sa nimi zaoberajú, postupne posilňovali zákony týkajúce sa bezpečnosti dodávok energie a spotreby energie. Napríklad mechanizmy založené na tradičných pravidlách získavania bezpečnostných osvedčení pre napájanie zdravotníckych pomôcok sa zameriavali na hodnotenie založené na riziku, ktoré musí byť doložené dôkazmi. Podobne aj zdroje energie, ktoré boli vhodné na napájanie spotrebiteľov pred piatimi rokmi, teraz v pohotovostnom režime spotrebúvajú príliš veľa energie, aby boli prijateľné. Legislatíva teraz vyžaduje zložitejšie riadenie a techniky v stabilizačnej časti, s ktorými dizajnéri nie sú príliš oboznámení, aj keď majú dlhoročné skúsenosti s navrhovaním architektúr elektronických výkonových dosiek.

Ak nový produkt vyžaduje podstatné zmeny v napájaní, môže mať zmysel pre tím, ktorý je zvyknutý na vytváranie vlastných projektov, prejsť na konfiguračnú implementáciu alebo na jednotku PSU (jednotka napájania), sériový. Výrobcovia externých alebo úplne integrovaných zdrojov napájania zvyčajne zabezpečia certifikáciu podľa príslušných noriem. Moduly budú navrhnuté tak, aby vyhovovali štandardom, ale konečné systémy, v ktorých budú fungovať, budú vyžadovať certifikáciu.

Otázka času uvedenia na trh môže viesť k podobnému záveru. Pripravený zdroj napájacieho zdroja vo všeobecnosti vedie k najrýchlejšiemu uvedeniu na trh - ak sa hodí do systémovej skrinky. Vlastný zdroj napájacieho zdroja od dodávateľa tretej strany bude tiež vyžadovať čas na dizajn, úpravy a integráciu, čo predĺži čas uvedenia na trh. Ak je prispôsobenie dôležité, moduly ponúkajú väčšiu flexibilitu, ale povedú k dlhšiemu cyklu návrhu a integrácie, najmä tam, kde sa vyžaduje certifikácia. Pre väčšinu dizajnérskych tímov budú obe možnosti rýchlejšie ako vytvorenie úplne vlastného obvodu.

Pokiaľ však ide o veľkosť, úplne prispôsobený obvod môže ľahko poskytnúť najlepšiu voľbu. Konštruktér, ktorý je oboznámený s požiadavkami na systém, môže zostaviť napájací zdroj okolo ostatných dosiek s plošnými spojmi. Možno to nie je najefektívnejší možný projekt z hľadiska výkonu wattov na kubický centimeter, ale dokáže vyhovieť zvyšku systému spôsobom, ktorý minimalizuje objem bez toho, aby to ohrozilo prúdenie chladiaceho vzduchu. Moduly sú často navrhnuté tak, aby viedli k zmenšeniu veľkosti a zníženiu nákladov, pričom často využívajú výhody nových techník zapuzdrenia na zníženie objemu. Stávajú sa vynikajúcou voľbou, keď požiadavky cieľového systému zodpovedajú charakteristikám dostupných modulov.

Môžu sa vyskytnúť situácie, keď sú samotné moduly jednotlivo mimoriadne kompaktné, ale kombinácia požadovaná pre požadovanú aplikáciu vedie k nevyužitým kapacitám a elektrickým vedeniam, čo v konečnom dôsledku zvýši veľkosť a celkové náklady na riešenie. V súčasnosti je však prostredníctvom predajcov k dispozícii veľa možností modulov, ako napríklad Farnell, ktorá vám pomôže zvoliť kombináciu modulov, ktoré sa perfektne hodia k cieľovej aplikácii, jednoduchšie ako kedykoľvek predtým. Napriek rastúcemu počtu možností napájacích modulov, ak má cieľový projekt špeciálne požiadavky, mal by návrhársky tím urobiť kompromis v otázke veľkosti alebo kombinácie modulov s prispôsobeným dizajnom pre špeciálne elektrické vedenia.

Rovnako ako u výrobcov modulov, aj dodávatelia sériových zdrojov napätia zdroja môžu vytvárať mimoriadne kompaktné produkty založené na optimalizovaných výrobných technológiách. Preto často ponúkajú modely, ktoré poskytujú vysokú hustotu výkonu, keď sú vyjadrené vo wattoch na kubický centimeter. Štandardné zdroje napájania na poličke však budú musieť byť do istej miery často príliš špecifikované, aby bolo možné prispôsobiť katalógový produkt maximálnemu využitiu energie cieľovej aplikácie. Výsledkom môže byť väčší tvarový faktor, ako je požadované.

Flexibilita dizajnu môže byť dôležitým kritériom pre tímy pracujúce na rodinách produktov. Ide o situáciu, keď môžu mať prístupy založené na moduloch zmysel, pretože je pomerne ľahké meniť moduly s minimálnym redizajnom okolo okolitých obvodov. Štandardné napájacie zdroje (PSU) - aj keď sú často dostupné vo väčších alebo menších zostavách - sa nemusia zhodovať s formátom vyžadovaným aplikáciou. Pri použití vlastného návrhového riešenia si tím bude musieť nájsť čas na návrh každého variantu, čo môže spomaliť harmonogram projektu.

Pokiaľ ide o náklady, existujú jasné rozdiely medzi nákladmi na vývoj a nákladmi, ktoré ponúkajú štandardné riešenia.

Cena štandardného napájacieho zdroja (PSU) bude spravidla vyššia ako v prípade modulárnych alebo vlastných dizajnových modelov. Ale štandardné riešenie pripravené na použitie má výhodu v malých alebo žiadnych nákladoch na vývoj, čo môže byť pre malé objemy projektov veľmi dôležité. Ak jednotkové ceny príliš ovplyvnia cieľovú aplikáciu, je možnosť vlastného návrhu pravdepodobne tou, ktorá ponúka najväčšiu výhodu, hoci nesie najvyššie náklady na vývoj.

Aj keď vlastné obvody zahŕňajú najdlhší čas vývoja, výrobcovia vyvinuli množstvo podporných nástrojov, ktoré výrazne zjednodušujú výber a dizajn DPS vhodných napájacích zdrojov. Príkladom je návrhový nástroj DC-DC EE-Sim vyvinutý spoločnosťou Maxim Integrated. Prostredníctvom intuitívnych blokov môže inžinier zadať špecifické požiadavky aplikácie a získať obvodový diagram, výsledky simulácie obvodov a zoznam materiálov na podporu implementácie.

Je tiež potrebné poznamenať, že neexistujú jasné rozdiely medzi typmi riešení napájania. Predajcovia, ako napríklad TDK-Lambda, používajú techniky modulárneho návrhu na zabezpečenie komfortu sériových zdrojov napájacieho zdroja s vysoko flexibilnou flexibilitou a výkonom modulov. Na druhom konci spektra dodávatelia komponentov využívajú integráciu na úrovni kapsúl a poskytujú vysoko zložité výkonové architektúry, ktoré sa predtým našli iba v úplne zapuzdrených prevodníkoch DC/DC.

Výsledkom je široká škála možností, ktoré môžu dizajnérske tímy zvážiť pri výbere najlepšej stratégie napájania pre svoj projekt. Každý projekt sa musí posudzovať podľa jeho vlastných schopností a pomocou kritérií opísaných vyššie. Dôkladná analýza požiadaviek odhalí, ktorý bod pozdĺž krivky - od sériového zariadenia po plne prispôsobený - najlepšie vyhovuje potrebám aplikácie.

Autor:
Cliff Ortmeyer, Globálny riaditeľ pre technický marketing, Farnell