Správny prístup k výberu a návrhu napájania

Napájací zdroj je kľúčovým prvkom v akomkoľvek návrhu elektroniky a často sa pri ňom zvažuje rozhodnutie o vlastnej výrobe verzus nákupe. Najefektívnejší prístup z hľadiska návrhu závisí od viacerých kritérií a neexistuje univerzálny prístup, ktorý by vyhovoval každej aplikácii.
Správny prístup k výberu a návrhu napájania

Obr. Minimálna veľkosť, maximálny výkon – zdroje firmy Maxim Integrated

Existujú tri hlavné možnosti výberu napájacieho zdroja, pričom zložitejšie systémy by sa mohli spoliehať na kombináciu všetkých troch. Prvá možnosť, ktorá bude najznámejšia pre skúsených technikov navrhujúcich dosky plošných spojov, je vlastný napájací obvod, aj keď to často zahŕňa kombináciu bežne dostupných regulátorov výkonu spolu s diskrétnymi výkonovými tranzistormi a pasívnymi prvkami na filtrovanie a chladenie. Druhým je modul, ktorý spája komponenty nachádzajúce sa v zákazníckom návrhu do jedného balíka, s vonkajšími kolíkmi na uzemnenie, a vstupné a výstupné pripojenie napätia. Takéto moduly sú často úplne zapuzdrené s cieľom ochrany životného prostredia a jednoduchého spájkovania. Napokon je k dispozícii aj externý zdroj napájania (PSU), ktorý sa môže dodávať vo forme externej jednotky. V prípade, že PSU musí byť integrovaný do systémového rozvádzača, môže byť zakúpený ako produkt s prispôsobiteľným krytom alebo ako plne uzavretá verzia. Plne uzavretá verzia sa často vyberá pri systémoch, kde sa vyžaduje prístup používateľov, pretože poskytuje najvyššiu úroveň bezpečnosti.

Rozhodnutie, či použiť vlastný návrh, nakonfigurované moduly alebo úplne bežne dostupné zdroje napájania, sa často môže stať záležitosťou tradície. Odpoveď „takto sme to vždy robili“ nemusí však byť nevyhnutne nesprávna, môže to byť záver získaný na základe skúseností. Pri nových projektoch je však namieste prehodnotiť takýto prístup, nakoľko okolnosti a technológie môžu hovoriť v prospech odlišného prístupu.

Legislatíva na celom svete sa neustále vyvíja a zákonodarcovia postupne sprísnili zákony, ktoré sa týkajú bezpečnosti dodávok a spotreby energie. Napríklad tradičné prístupy založené na pravidlách na získanie bezpečnostnej certifikácie pre zdravotnícke napájacie zdroje sa nahradili hodnotením založenom na riziku, ktoré musí byť podložené dôkazmi. Podobne je to aj s vyhotovením obvodov dodávaných pred piatimi rokmi a vhodných ako zdroje napájania pre spotrebnú elektroniku. Tie teraz nespĺňajú nariadenia týkajúce sa spotreby energie v pohotovostnom režime. Legislatíva teraz vyžaduje sofistikovanejšie riadenie a techniky týkajúce sa usmerňovačov, ktoré niektorí vývojári ešte nemusia poznať, aj keď majú dlhoročné skúsenosti v architektúrach na úrovni vývoja dosiek plošných spojov.

Ak nový produkt potrebuje podstatné zmeny v napájacom zdroji, je to pre vývojárov zdrojov príležitosť prejsť na implementáciu založenú na konfigurovateľných moduloch alebo hotovom PSU. Výrobcovia externých alebo plne balených PSU zvyčajne poskytnú certifikáciu podľa príslušných noriem. Moduly sú vo všeobecnosti navrhnuté tak, aby vyhovovali normám, ale finálne zariadenia, do ktorých idú, budú potrebovať samostatnú certifikáciu.

K podobným úvahám môže viesť aj otázka času uvedenia na trh. Bežne dostupné PSU bude všeobecne znamenať najrýchlejší čas dodávky na trh, ak sa, samozrejme, nájde vhodný zdroj spĺňajúci podmienky danej aplikácie. Aj prispôsobenie PSU od dodávateľa tretej strany pridá nejaký čas k celkovému vývoju zariadenia, jeho vyladeniu a výrobe, čo predĺži čas potrebný na uvedenie na trh. Tam, kde je dôležité prispôsobenie, poskytujú moduly podstatne väčšiu flexibilitu, ale zároveň budú znamenať predĺženie vývoja a času potrebného na vzájomné prepojenie s ostatnými prvkami, a to najmä tam, kde sa vyžaduje certifikácia. Pre väčšinu projektových tímov budú obe možnosti rýchlejšie ako úplne prispôsobené obvody.

Tam, kde ide o veľkosť, môže kompletne navrhnutý obvod ľahko ponúknuť najlepšiu možnosť. Projektant, ktorý pozná požiadavky systému, môže vytvoriť PSU v súlade s ostatnými doskami plošných spojov. Nemusí to byť najmenší možný návrh z hľadiska wattov na centimeter kubický, ale môže to zodpovedať zvyšku systému spôsobom, ktorý minimalizuje objem bez ohrozenia prúdenia vzduchu na chladenie. Moduly sú často navrhnuté s malými rozmermi a nízkymi nákladmi, pričom často využívajú nové techniky balenia na minimalizovanie svojej veľkosti. To môže byť skvelou výhodou v prípade, keď požiadavky cieľového systému zodpovedajú charakteristikám dostupných modulov.

Môžu nastať situácie, keď sú moduly samostatne vysoko kompaktné, ale ich kombinácia potrebná pre cieľovú aplikáciu vedie k nevyužitým lištám a kapacite; tým sa zvýši celková veľkosť a cena riešenia. Situácia s modulmi sa však neustále mení, pretože existuje mnoho modulov, ktoré sú teraz ľahko dostupné prostredníctvom distribútorov, ako je Farnell, čo uľahčuje výber ich kombinácie vyhovujúcej cieľovej aplikácii. Ak má finálny návrh špecifické požiadavky napriek rastúcemu počtu dostupných modulov, tím môže urobiť kompromis na veľkých alebo zmiešaných moduloch s vlastným dizajnom pre špeciálne lišty.

Podobne ako výrobcovia modulov, aj poskytovatelia bežne dostupných PSU môžu využiť výhody úspor z vyššej úrovne výroby a optimalizovaných výrobných technológií s cieľom vytvoriť vysoko kompaktné produkty. V dôsledku toho často ponúkajú návrhy, ktoré poskytujú vysokú hustoty výkonu vyjadrenú vo wattoch na centimeter kubický. Bežne dostupné návrhy však budú často trochu predimenzované, aby bolo možné vybrať pre cieľovú aplikáciu vhodný katalógový produkt. Výsledkom môže byť väčší zdroj, ako sa pre danú aplikáciu požaduje.

Flexibilita návrhu môže byť dôležitým kritériom pre tímy pracujúce so skupinami konkrétnych výrobkov. Ide najmä o situácie, keď prístupy založené na moduloch majú často najväčší zmysel, pretože je relatívne ľahké vymeniť moduly s minimálnym prepracovaním okolitých obvodov. Bežne dostupné PSU sú často k dispozícii vo väčších či menších variantoch a nemusia sa zmestiť do pôvodného formátu. V prípade použitia vlastného obvodu si bude musieť tím nájsť čas na návrh každého variantu, čo môže spôsobiť oneskorenie celého projektu.

Z hľadiska nákladov často dochádza k jasnému kompromisu medzi vývojom a jednotkovými nákladmi. Jednotkové náklady na štandardne dostupné PSU budú vo všeobecnosti vyššie ako pri modulovom alebo vlastnom dizajne. No hotová jednotka má tú výhodu, že nemá žiadne náklady na vývoj, čo môže byť veľmi dôležité pre projekty s malým objemom. Tam, kde sú dôležité jednotkové ceny, možnosť vlastného návrhu pravdepodobne ponúkne najväčšiu výhodu, hoci vzniknú najväčšie náklady na vývoj.

Hoci vývoj vlastných obvodov zaberie najviac času, vyvinuli výrobcovia rad pomocných nástrojov, ktoré značne zjednodušujú výber a návrh vhodných napájacích zdrojov PCB. Príkladom je EE-Sim DC-DC Design Tool vyvinutý firmou Maxim Integrated. Technik dokáže prostredníctvom intuitívnych formulárov zadať požiadavky špecifické pre danú aplikáciu a získať schému elektrického obvodu, výsledky simulácie a zoznam materiálov ako podporu implementácie.

Za zmienku stojí aj to, že čoraz častejšie dochádza k stieraniu hraníc medzi rôznymi typmi riešení napájania. Dodávatelia, ako napríklad TDK-Lambda, používajú modulárne techniky vývoja, aby ponúkli pohodlie bežne dostupných PSU s flexibilitou a výkonom precízne nastavených modulov. Na druhej strane dodávatelia komponentov využívajú integráciu na úrovni balíkov, aby ponúkli vysoko komplexné architektúry napájania, ktoré boli predtým súčasťou kompletne zabalených meničov DC/DC.

Výsledkom je široká škála možností, ktoré môžu vývojárske tímy zvážiť pri výbere ideálnej stratégie napájacích zdrojov pre svoj projekt. Každý projekt sa musí posudzovať zvlášť s využitím kritérií opísaných vyššie. Podrobná analýza požiadaviek odhalí, ktoré riešenie, od štandardne dostupných modulov až po kompletné zákaznícke riešenia, najlepšie vyhovuje potrebám aplikácie.

Cliff Ortmeyer
globálny vedúci technického marketingu
Farnell
www.premierfarnell.com