正确选择和设计电源

日期:2019-08-08
 
 
目前最有效的设计方法取决于多个标准,没有适合每个应用的单一方法。
作者:Cliff Ortmeyer,Farnell全球技术营销主管
 
有三个主要的选择,尽管更复杂的系统可能依赖于这三个选择的组合。经验丰富的电路板级工程师最熟悉的第一种选择是定制电源电路,尽管这通常包括现成的电源控制器与分立功率晶体管,以及滤波和调节用无源器件的组合。第二个是一个模块,它将定制设计中的组件组合捆绑到一个单独的封装中,外部插脚用于接地、输入和输出电压轨连接。这些模块通常是完全封装的,以保护环境和易于焊接。最后,还有现成的电源单元(PSU),它可能以外部前端单元的形式出现。或者,如果PSU需要集成到系统机箱中,则可以作为开放式框架设计或完全打包版本购买。在需要用户访问的系统中,通常会选择完全封闭的版本,因为它提供了最高级别的安全性。
 
图1:现成电源
 
决定是使用定制设计、配置模块,还是完全现成的电源通常可以归结为一个传统问题。“这是我们一贯的做法”不一定是错误的答案,虽然这可能是一个通过经验获得的结论,不应轻易推翻,但它是一个值得重新考虑的新项目,因为环境和技术可能已经发展,有利于采用不同的方法。
例如,立法是世界各地的一个移动的目标,立法者已经逐渐收紧了涉及供电安全和能源消耗的法律。例如,传统的基于规则的医疗电源安全认证机制已经转向需要证据支持的基于风险的评估。同样地,五年前适用于用户电源的电路设计,现在在待机模式下消耗的能量太多,无法接受。现在,立法要求在前端整流器部分采用更先进的控制和技术,内部设计师可能不熟悉这些技术,即使他们在板级电源架构方面有多年的经验。
如果一个新产品需要在电源上进行实质性的改变,对于一个用于定制设计的团队来说,切换到基于可配置模块或现成PSU的实现是有意义的。外部或全封装PSU的制造商通常会提供相关标准的认证。模块的设计通常符合标准,但最终系统需要认证。
上市时间的问题可能会得出类似的结论。如果能够提供适合系统机箱的PSU,那么现成的PSU通常会带来最快的上市时间。来自第三方供应商的定制PSU仍然需要时间来设计、调整和制造,这将增加上市时间。在定制很重要的地方,模块提供了更大的灵活性,但将导致更长的设计和集成周期,特别是在需要认证的地方。对于大多数设计团队来说,这两个选项都将比完全定制的电路更快。
然而,在尺寸方面,完全定制的电路设计可以很容易地提供最佳选择。熟悉系统要求的设计师可以围绕其他电路板构建PSU。这可能不是每立方厘米瓦特的最小可能设计,但它可以符合系统的其他部分,在不影响冷却气流的情况下,使体积最小化。模块通常设计为小尺寸和低成本,经常利用新的封装技术,以最大限度地减少体积。当目标系统的需求与可用模块的特性相匹配时,这可以使它们成为极好的选择。
在某些情况下,模块本身可能非常紧凑,但目标应用所需的组合会导致未使用的轨和容量;这将增加解决方案的总体规模和成本。然而,模块的情况一直在变化,因为现在有许多模块选项可以通过诸如Farnell这样的分销商随时获得,因此比以往任何时候都更容易选择适合目标应用的模块组合。尽管有越来越多的模块选项,如果目标设计有特殊要求,团队可能不得不在尺寸上妥协,或者将模块与专用轨的定制设计混合。
与模块制造商一样,现成PSU的供应商可以利用规模经济和优化的生产技术来构建高度紧凑的产品。因此,他们通常提供高功率密度的设计,以瓦特/立方厘米表示。然而,现成的设计往往需要有点过定义(over-specified),以适应目录产品的目标应用的峰值功率使用。结果可能是大于所需的形状系数。
设计的灵活性是团队研究产品系列的一个重要标准。在这种情况下,基于模块的方法通常最有意义,因为以最小的重新设计围绕周围电路更换模块相对容易。对于现成的PSU,尽管通常会提供更大和更小的变体,但它们可能不适合原始的外形。当采用定制电路时,团队必须为每一种变体留出时间进行设计,这可能会减慢项目时间。
在成本方面,开发成本和单位成本之间往往存在明显的权衡。现成PSU的单位成本通常高于基于模块或自定义设计。但该现成器件的优点是开发成本很低,甚至没有开发成本,这对于小批量项目来说非常重要。在单价可能占主导地位的地方,定制设计选项可能提供最大的优势,尽管它会带来最大的开发成本。
 
图2:Maxim Integrated Himalaya uSLIC电源模块
 
虽然定制电路的开发时间最长,但制造商已经开发了一系列辅助工具,大大简化了合适电源的选择和PCB设计。一个例子是由Maxim Integrated开发的EE-Sim DC-DC设计工具。通过直观的形式,工程师可以输入自己的具体应用需求,获得电路原理图、仿真结果和支持实现的物料清单。
结果是,设计团队在为他们的项目选择理想的供电策略时可以考虑多种选择。每个项目都需要使用上述标准,根据其自身的优点进行判断。对需求的详细分析将揭示从完全现成到完全定制的曲线上的哪个点最符合应用的需求。
 
www.farnell.com 
 
 

订阅我们的通讯!

电子邮件地址