Источники питания - купить или сделать самостоятельно?

Источники питания - купить или сделать самостоятельно?

Кевин Парментер (Kevin Parmenter)

Как правило, суммарная стоимость компонентов источника питания выше стоимости готового изделия. Например,  коммерческий источник питания на 30 ампер и 5 вольт стоит примерно в 5 раз меньше, чем стоимость его компонентов и производство, причем в цену готового блока питания обычно включена еще и гарантия производителя на 5 лет. Поэтому в большинстве случаев имеет смысл разрабатывать только такой источник питания, который вы не можете купить в готовом виде.

Тем не менее, иногда вам может понадобиться специализированный или даже уникальный источник  питания, который приходится разрабатывать самостоятельно. Некоторые компании успешно справляются с этой задачей, но зачастую производители при подобных попытках несут большие затраты, упускают драгоценное время для быстрого выпуска на рынок нового изделия. Они просто не обладают достаточным опытом, чтобы правильно спроектировать стабильные, надежные системы питания, которые можно было бы произвести большими сериями и которые функционировали бы  в течение длительного периода времени. Часто заказчики не могут определиться, когда надо разрабатывать самим, а когда покупать готовое изделие.

Когда покупать

Часто случаются попытки удешевления производства, когда приказывают "убрать этот 40-долларовый блок, чтобы сократить стоимость системы". В конце концов, этот блок - просто источник питания и любой инженер может сделать это самостоятельно, не так ли? Это обычная практика, когда организации с ключевыми компетенциями в других областях, но не в силовой электронике, не обладают достаточной компетенцией, у них нет подходящих специалистов, тестового оборудования и они не ориентируются в этой области. Инженеры вынуждены погружаться в сегмент, в котором они плохо ориентируются. Ошибка заключается в предположении, что источники питания являются простыми элементами и могут быть разработаны кем угодно. По какой причине компании передают производство на аутсорсинг специализирующимся производителям электронной продукции? Просто потому, что это обходится в итоге дешевле и будет сделано лучшее, чем при самостоятельной сборке. Это важно, если предположить, что ваши клиенты могут быть более требовательными заказчиками, чем вы. При покупке готового изделия проблемы качества и надежности решены специализирующимся на этом производителем, при этом еще и общая стоимость производства может быть снижена.

Когда делать

В некоторых ситуациях у вас не остается иного выхода, кроме как сделать свой собственный источник питания. Когда же это имеет смысл?

  • Если вы не можете купить то, что соответствует вашим потребностям
  • Если создание собственного источника питания может быть выполнено из имеющихся в наличии полупроводниковых компонентов или интегрированных на чипе микросхем питания, которые хорошо знакомы инженерно-техническому персоналу и поддерживаются программными средствами разработки
  • У вас есть доступ к надлежащему тестовому оборудованию, опыт и время, чтобы сделать работу правильно
  • У вас достаточно времени, чтобы сделать все правильно
  • Если готовое изделие действительно слишком дорого стоит для вашего применения, а вы можете сделать что-то лучшее, что даст вам преимущество

Лучший совет по использованию инструкций по применению компонентов заключается в том, что вы не должны перекладывать свою ответственность за готовое изделие на ваших поставщиков компонентов.  Разработчик конечного продукта, его компания несут полную ответственность за конечный продукт или систему. Не забывайте об обязательности всестороннего тестирования и оценки изделия на предмет соответствия своему применению, а также убедитесь, что изделие сможет работать в течение долгого времени в допустимом диапазоне температуры. Проведите самостоятельно разработку и моделирование работы изделия. Никогда не полагайтесь полностью на инструкции по применению от поставщика компонентов и уверенно продвигайтесь к полномасштабному производству.

Независимо от используемой технологии компании должны инвестировать в обучение, средства разработки, тестовое оборудование и программное обеспечение для того, чтобы создаваемое изделие в итоге соответствовало требованиям. Есть много хороших источников таких ресурсов, доступных в некоторых случаях бесплатно и с минимальными затратами. Поставщики предоставляют инструкции по применению, тестовые платы и программные средства разработки часто вообще на безвозмездной основе. Во многих случаях они также поставляют готовые к применению гербер- файлы, которые вы можете использовать в вашей системе разработки.

Вопросы проектирования, если вы решили "Сделать"

Есть некоторые вопросы, с ответами на которые вы должны определиться, прежде чем сделать свой собственный источник питания или силовой блок. Во-первых, очень важно учитывать, какой тип системы преобразования питания вам нужен. Ответ на этот вопрос определяет уровень сложности проекта, риски и нормативные требования. Есть ли у вас надлежащее тестовое оборудование? Вам понадобятся анализаторы частотных характеристик, анализаторы нагрузки, электрические тестеры безопасности и другое специализированное оборудование, которого у многих просто нет под рукой. Достаточно ли у вас специалистов, имеющих соответствующие навыки и достаточный опыт в разработке источников питания? Ведь требуется владение техниками оптимизации индуктивности, разводки плат, заземления и экранирования, навыками ручной  разводки при отключенном автотрассировщике, техникой безопасной разводки с соответствием рекомендациям по утечке.

Начните с вопроса, будет ли источник работать в режиме офлайн или DC-DC? Будет ли он изолированным или нет? Сможете ли вы достать комплектующие с нужными характеристиками для его создания? Системы со встроенным блоком питания вполне доступны на рынке. Они имеют высокую степень интеграции для более низких уровней мощности и даже могут содержать встроенный индуктор, образуя комплект, который обычно называют PSIP или комплект блока питания. Если ваше изделие должно работать в автономном режиме, есть ли у вас опыт и оборудование для выполнения электрических испытаний безопасности проектируемого устройства на соответствие принятым нормам и правилам безопасности? Знаете ли вы, как спроектировать зазоры в сердечнике, чтобы это соответствовало требованиям по безопасности регулирующих органов? Предполагается ли высоконадежное использование в режиме работы 24x7? Возможно, имеет смысл приобрести готовое изделие, если оно должно иметь высокую мощность при работе в офлайн-режиме, иметь автономный режим и необходимый уровень надежности, а объемы производства недостаточны, чтобы оправдать усилия по самостоятельной разработке.

Расходы на получения сертификатов безопасности обычно являются достаточно затратными и, к тому же, этот процесс занимает много времени. Если ваш продукт будет поставляться на мировой рынок, то это потребует широкого диапазона входного напряжения от 85 до 265 Вольт переменного тока при 50-60 Гц, а также соответствующего разрешения регулирующих органов для всемирного применения. Готовы ли Вы к высоким расходам и большим срокам? Есть ли у вас в штате эксперты по вопросам безопасности, которые знают нормативные требования и правила тестирования? Возьмем электромагнитные или радиочастотные помехи (EMI-RFI). Импульсные источники могут генерировать много помех, если они не спроектированы правильно. Регулирующие органы не имеют чувства юмора и не будут проявлять сочувствия к вашим плохо спроектированным источникам питания.

Создавайте сами с использованием большего количества инструментов и ресурсов, чем когда-либо прежде

Если после рассмотрения всех этих предварительных вопросов вы все же решили самостоятельно сделать блок питания, настоятельно рекомендуется, чтобы вы привлекали поставщиков на самой ранней стадии при определении и выборе компонентов, а также в процессе проектирования. Чем раньше вы начнете привлекать поддержку и помощь, тем больше времени у вас останется на разработку по плану, с высокой степенью гибкости и большим количеством возможностей. Реализация проекта теряет гибкость по срокам тем больше, чем ближе вы к фазе прототипа и производства.

Решающее значение имеет рассмотрение вопросов энергетической эффективности, нормативных правил на системном уровне в начале процесса проектирования, а не в конце. Не используйте неподходящие компоненты, топологии или цепи с изъянами монтажа только потому, что они есть на складе. Разработка не должна осуществляться в вакууме; в вашем распоряжении есть много доступных ресурсов, которые могут помочь вам успешно реализовать проект в конкретной ситуации.  Если вы собираетесь создать свой собственный источник питания, то хорошая новость состоит в том, что сейчас есть гораздо больше доступных средств поддержки для разработчика, чем когда-либо прежде. Новые технологии, доступные с помощью компании Mouser Electronics, включают продукты для преобразователей питания разных уровней мощности. Большой выбор доступных ресурсов поможет вам самостоятельно реализовать успешный проект в конкретной ситуации. Выбираете ли вы вариант с “купить” или “сделать”, Mouser Electronics предлагает продукцию более чем 450 производителей с доступными для разработчиков средствами поддержки.

Об авторе. Кевин Парментер имеет более чем 25 летний стаж работы в области электроники и полупроводниковой промышленности в качестве сотрудника компаний Freescale Semiconductor, Fairchild Semiconductor, ON Semiconductor и Motorola. Как инженер-конструктор, он обладает большим опытом работы в областях медицинской и военной электроники.