Modifizierte Standard-, Semi-Custom- und Full-Custom-Stromversorgungsdesigns – Der RECOM-Ansatz

RECOM Stromversorgungen und Customized Solutions-Zeichen
RECOM bietet mehr als 30.000 DC/DC- und AC/DC-Standardprodukte an, doch manchmal wird auch ein nicht standardmäßiger Wandler benötigt. In diesem Artikel wird der Unterschied zwischen modifizierten Standard-, Semi-Custom- und Full-Custom-Stromversorungen erörtert.

Einer der Gründe, warum RECOM über eines der breitesten Portfolios an Stromversorgungen in der Branche verfügt, ist die enorme Anzahl an Varianten innerhalb unserer Standardproduktpalette. Nehmen wir zum Beispiel einen klassischen isolierten und geregelten 5W-DC/DC-Wandler im DIP24-Gehäuse – die REC5-Serie –, so bietet sie laut Datenblatt fünf Eingangsspannungen und neun Ausgangsspannungsoptionen, darunter Einzel- und Doppelausgänge.

Es stehen drei verschiedene Isolationsspannungen von 2kV bis 6kV sowie drei Pinning-Optionen zur Verfügung, sodass eine pin-kompatible Alternative zu Wettbewerbsprodukten möglich ist – einschließlich einer Version mit Remote-On/Off-Pin. Darüber hinaus können die Leiterplattenanschlüsse entweder in THT- oder SMT-Ausführung realisiert werden. Das Gehäusematerial ist wahlweise aus Kunststoff oder Metall. Schließlich ist die Serie sowohl in Röhren- als auch in Tape-and-Reel-Verpackung erhältlich. Insgesamt ergeben sich allein bei dieser einen DC/DC-Wandler-Serie standardmäßig über zweitausend Varianten.

Modified-Standard-Stromversorgung

Schaltplan mit Transformator, Optokoppler und Shunt-Regler
Abb. 1: Vereinfachte Shunt-Reglerschaltung (in dieser Schaltung wäre Vset gleich Vref(1+(R1/R2)) + Voptodiode)
Man könnte meinen, dass mit einer so breiten Palette von Katalogprodukten alle möglichen Kundenwünsche abgedeckt werden, aber dennoch sind manchmal von Kunden gewünschte spezifische Eigenschaften nicht in diesen Optionen enthalten. Ein Beispiel wären andere Pinlängen (verkürzt oder überlang) oder eine Ausgangsspannung von 5,7V anstelle der üblichen 5V, sodass eine Entkoppel-Diode in die Ausgangsschaltung integriert werden kann. Solche Wünsche sind sehr einfach zu realisieren und fallen unter den Begriff „Modified-Standard-Produkte“.

Um zu verstehen, warum eine modifizierte Ausgangsspannung so einfach ist, hilft ein Blick auf die gängigste Art der Regelung der Ausgangsspannung in einem DC/DC- oder AC/DC- Stromversorgungen – ein Shunt-Regler am Ausgang, der auf einem programmierbaren Präzisions-Referenz-IC basiert (Abbildung 1).

Bei jedem Schaltzyklus steigt die Ausgangsspannung an, bis die eingestellte Spannung des Nebenschlussreglers (Vset) überschritten wird, woraufhin der Optokoppler aktiviert und der Zyklus zurückgesetzt wird. Obwohl diese Schaltung sehr einfach ist, regelt sie die Ausgangsspannung sowohl bei Last- als auch bei Netzspannungsschwankungen genau. Das Schaltverhältnis und damit die Ausgangsspannung wird durch die Kombination des Windungsverhältnisses des Transformators, der Vref-Spannung (typischerweise 1,22V) und der beiden Programmierwiderstände R1 und R2 bestimmt.

Um diesen Wandler so zu modifizieren, dass er 5,7V statt 5,0V liefert, müssten andere R1- oder R2-Widerstandswerte eingesetzt werden, um ein angepasstes Teilerverhältnis für die Spannungsregelung zu erzeugen. Dies ist eine einfache Modifikation, die mit geringen oder gar keinen zusätzlichen Kosten umgesetzt werden kann. RECOM verfügt über eigene SMD-Bestückungslinien, sodass zur Herstellung einer Charge von Wandlern mit geänderter Ausgangsspannung lediglich die Produktions-SOP und das lasergedruckte Etikett angepasst werden müssen.
Diagramm Ausgangsspannung vs. Last
Abb. 2: Beispiel eines ungeregelten Spannungs-Toleranz-Diagramms für eine Stromversorgung (Serie R1SX)
Wir können auch die Auswahl der Komponentenwerte optimieren, um die spezifischen Anforderungen der Kundenanwendung besser zu erfüllen, anstatt einen Standard-Wandler zu verwenden. Nehmen wir einen ungeregelten DC/DC-Wandler als Beispiel: Die Ausgangsspannung hängt hier sowohl von der Last als auch von der Eingangsspannung ab. In der Regel passen wir die Komponenten so an, dass die Nenn-Ausgangsspannung bei nominaler Eingangsspannung und einer Last von 80% erreicht wird – wie in der Toleranzhüllkurve für die Ausgangsspannung (Abbildung 2) dargestellt.

Diese Standardkonfiguration erfüllt die gängigsten Anforderungen an die Ausgangsspannungstoleranz für ungeregelte DC/DC-Wandler, die typischerweise mit etwas weniger als Volllast betrieben werden. Der Kompromiss besteht darin, dass die Ausgangsspannung bei Volllast niedriger und bei geringer Last höher ist. Sollte ein Kunde fordern, dass die Ausgangsspannung bei niedriger Last auf weniger als +7% ansteigt, können wir das Design so anpassen, dass die Ausgangsspannung unter, sagen wir, +5% bleibt – indem die Komponentenwerte so verändert werden, dass die Vnom-Spannung bereits bei 70% Last statt bei 80% erreicht wird. Dadurch verschiebt sich die Toleranzhüllkurve effektiv nach unten. Der Nachteil wäre eine geringere Ausgangsspannung bei Volllast – was jedoch in der betreffenden Anwendung möglicherweise unerheblich ist.

Die Ausgangsspannung kann jedoch nur in begrenztem Umfang durch Optimierung der Komponentenwerte angepasst werden, um sie besser auf die Anforderungen der Endanwendung abzustimmen. Die Nennausgangsspannung hängt wesentlich vom Windungsverhältnis des Transformators ab. Weicht die gewünschte Spannung zu stark vom Standard ab, kann ein modifizierter Transformator mit angepasstem Windungsverhältnis erforderlich sein. Dies hätte nicht nur eine neue Teilenummer für den Transformator zur Folge, sondern auch eine Neuzertifizierung nach den geltenden Sicherheitsnormen. Damit verlässt man den Bereich der Modified-Standard-Wandler und bewegt sich in Richtung Semi-Custom-Design.

Semi-Custom-Stromversorgung

Die Grenze zwischen einem Semi-Custom- und einem Modified-Standard-Stromversorgung ist nicht immer eindeutig. Eine sinnvolle Unterscheidung besteht darin, ob eine erneute Sicherheitszertifizierung erforderlich ist. Änderungen, die sicherheitskritische Komponenten oder Trennabstände betreffen – etwa die Konstruktion des Transformators, die Auswahl des Optokopplers oder Y-Kondensators oder die Kriech- und Luftstrecken – erfordern mit hoher Wahrscheinlichkeit ein neues Zertifizierungsverfahren. Sicherheitsprüfberichte lassen jedoch in der Regel eine Abweichung von ±10% bei Ausgangsspannung und Nennstrom zu, um Produktionstoleranzen zu berücksichtigen. Dadurch ergibt sich ein gewisser Spielraum für Anpassungen.

Für die Eingangsspannung gilt ebenfalls eine Toleranz von mindestens ±20%, häufig sogar mehr. Wenn die gewünschte Änderung innerhalb dieser Toleranzbereiche bleibt, ist eine erneute Sicherheitszertifizierung unter Umständen nicht notwendig. Gleiches gilt, wenn der ursprüngliche Sicherheitsprüfbericht „alternative Konstruktionsoptionen“ für bestimmte Komponenten oder Vergussmaterialien aufführt. Wir haben Kundenanwendungen, bei denen Silikon-Vergussmaterial nicht akzeptabel ist – entweder wegen potenzieller Ausgasung, die andere Bauteile beeinträchtigen könnte, oder weil Silikon im Brandfall Rauch entwickeln kann. Obwohl Silikon ein hervorragendes Vergussmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit und guter Haftung ist, können wir diesen Kunden Epoxid-Verguss als Modified-Standard-Variante anbieten.

Es mag überraschen, aber das Design und der Text des Etiketts gelten als Teil der Sicherheitsdokumentation und werden von den Zertifizierungsstellen sehr sorgfältig überwacht. Wir erhalten regelmäßig Anfragen nach einem kundenspezifischen Etikettendesign, z. B. mit dem Markennamen und der Teilenummer des Kunden anstelle des Standardetiketts von RECOM. Obwohl die beiden Teile physisch identisch wären, müssten wir ein Kopierzertifikat mit dem neuen Etikett, der Teilenummer und dem Kundenlogo beantragen, um dieses geänderte Teil mit gültiger Sicherheitszertifizierung fertigen zu dürfen. Wir verfügen jedoch über umfassende Erfahrung im Umgang mit solchen Anfragen und bemühen uns, den Prozess so schnell, einfach und unbürokratisch wie möglich zu gestalten.

Sobald wir uns im Bereich der Semi-Custom-Stromversorgungen befinden, können wir deutlich mehr Flexibilität bieten als nur die Optimierung von Spezifikationen – etwa durch alternative PCB-Layouts zur Änderung der Bauform oder durch Anpassung der Pinbelegung, um ein veraltetes Wettbewerbsprodukt zu ersetzen. Die Änderungen müssen dabei nicht zwingend physischer Natur sein: Wir haben auch Semi-Custom-Wandler gefertigt, bei denen höherwertige Komponenten verwendet wurden, um den Betriebstemperaturbereich zu erweitern, oder härteres Epoxidharz, um bestimmte Umweltanforderungen zu erfüllen. Alle diese Modifikationen basieren auf Standarddesigns. Dadurch kann ein Semi-Custom-Produkt zwar individuelle Anforderungen an Form, Passform oder Funktion erfüllen, wird aber dennoch effizient und kostengünstig auf unseren Standardproduktionslinien mit kurzer Markteinführungszeit gefertigt.

Beispiele für Semi-Custom-Stromversorgungen

Im Jahr 2010 stellte ein US-amerikanischer Wettbewerber die Produktion einer Reihe von Schaltreglern abrupt ein und ließ seinen bestehenden Kundenstamm „im Stich“. Einer dieser Kunden wandte sich an uns mit der Anfrage, ob wir unsere Standard-R-78-Serie so modifizieren könnten, dass sie pin- und funktionskompatibel mit diesen abgekündigten Produkten wäre – obwohl sich das Format deutlich von unserem bestehenden Design unterschied.

Elektronische Leiterplatten mit Komponenten

Abb. 3: Die drei verschiedenen Formate (/AC, /AL und /FC) der R-78T-Serie

Innerhalb von nur 12 Wochen brachten wir die R-78T-Serie mit drei verschiedenen Open-Frame-SMD-Pinning-Optionen auf den Markt, die so konzipiert waren, dass sie mit diesen nicht mehr erhältlichen Teilen pin-kompatibel waren. Der Grund, warum wir so schnell reagieren konnten, war, dass wir nicht bei null anfangen mussten – wir verfügten bereits über umfangreiche Erfahrung in der Entwicklung und Fertigung von Schaltregler-Modulen und konnten diese als Grundlage für das Semi-Custom-Design nutzen.
RECOM RAC20-K/X6-Serie
Abb. 4: Der Semi-Custom RAC20-K/X6 mit IEC 62477-1 zertifiziertem OVC III
Kürzlich erhielten wir eine Anfrage für ein 20W-AC/DC-Modul zur Leiterplattenmontage, das als Hilfsstromversorgung in einer Ladestation für Elektrofahrzeuge eingesetzt werden sollte. Da die Ladestation fest mit dem Stromnetz verdrahtet ist, gilt sie als OVC-III-Installation (Überspannungskategorie III) und muss zusätzliche Sicherheitsanforderungen in Bezug auf Überspannungsstöße, Isolationswerte sowie Kriech- und Luftstrecken erfüllen.

Wir konnten ein Semi-Custom-Produkt – den RAC20-K/X6 – mit einem überarbeiteten PCB-Layout und einer angepassten Transformatorenkonstruktion realisieren, um die Anforderungen der IEC 62477-1, OVC III, mit einer verstärkten Isolierung von 4kVAC/1 Minute anstelle des Standardwerts von 3kVAC/1 Minute zu erfüllen. Dieses Ergebnis wurde erzielt, ohne die Abmessungen, die Pinbelegung oder andere wichtige Spezifikationen wie den weiten Eingangsspannungsbereich, den großen Betriebstemperaturbereich oder die Leistungsaufnahme <40mW im Leerlauf zu verändern.

Bei vielen Semi-Custom-Designs haben auch andere Kunden ähnliche Anforderungen – solche Lösungen können daher später als Standardoptionen in unser Portfolio aufgenommen werden.

Full-Custom-Stromversorgung

Eine Full-Custom-Stromversorgung unterscheidet sich von den Modified-Standard- oder Semi-Custom-Varianten, da sie nicht auf einem bestehenden Produkt basiert – jedoch selbstverständlich bewährte und getestete Bausteine sowie, falls sinnvoll, die bestehende Produktionsinfrastruktur nutzt. Typische Voraussetzungen, die ein Full-Custom-Stromversorgungsprojekt wirtschaftlich sinnvoll machen, sind: Es existiert kein bestehendes Produkt, das den Bedarf erfüllt; die Kosten (FuE, Tests und Produktion) sind für beide Partner tragbar; und das Projektvolumen rechtfertigt die Investition in Entwicklungsressourcen.

Die typischen Projektphasen eines Full-Custom-Leistungswandlers sind in Abbildung 5 dargestellt:

Phasen des Projektlebenszyklus

Abb. 5: Projektphasen der Full-Custom-Stromversorgung

Projektvorschlag

Die ursprüngliche Anfrage des Kunden, in der die technischen Anforderungen an die Full-Custom-Stromversorgung (funktionale Spezifikationen, Leistungsanforderungen, technische Normen und physische Abmessungen) sowie die kommerziellen Faktoren (Budget, erwartete Stückzahl, Zielkosten usw.) detailliert aufgeführt sind.

Projektbewertung

Analyse der technischen Anforderungen (Eignung, Herstellbarkeit, Verfügbarkeit von Ressourcen usw.). Ist das Projekt durchführbar?

Projektplan

Der Projektplan enthält Angaben zum Projektzeitplan, zur Ressourcenzuweisung und zu den Meilensteinen, die in jeder Phase des Projekts erreicht werden müssen.

Prototyp

Es werden Prototypen gebaut, um die Übereinstimmung mit den funktionalen Spezifikationen zu überprüfen. Änderungen an den Spezifikationen in dieser Phase sind nicht ungewöhnlich. RECOM ist sich bewusst, dass selbst klar und präzise definierte Anfangsanforderungen an eine Full-Custom-Stromversorgung gelegentlich aktualisiert oder weiter angepasst werden müssen – meist als Reaktion auf Marktveränderungen. Das ist völlig normal. Solange die Kommunikationskanäle zwischen dem Kunden und dem RECOM-Designteam offen bleiben, sind wir bestrebt, ebenso flexibel zu agieren wie unsere Kunden.

Nach Freigabe der ersten Prototypen folgt als nächster Schritt die Herstellung von Vorserienprototypen (mindestens 50 Stück), um statistisch belastbare Leistungs- und Belastungstests durchführen zu können.

DVT/PVT

Die Design- und Produktionsverifizierungstests sind entscheidend für den Projekterfolg. RECOM muss Datenblätter und Testdokumentationen bereitstellen, die beim Kunden ein hohes Maß an Vertrauen schaffen, dass das Custom-Design zweckgerecht ist und unter allen vorhersehbaren Betriebs- und Fehlerbedingungen zuverlässig funktioniert.

Zu diesem Zweck verfügt RECOM über ein automatisiertes Testlabor mit vernetzten Teststationen, die eine schnelle Prüfung und Bewertung ermöglichen – sei es für elektrische Tests, Umwelttests in Klimakammern, Zuverlässigkeitstests (z. B. elektrische und thermische Belastungstests, Tests im sicheren Betriebsbereich, Langzeit-Soak-Tests, Schock- und Vibrationstests) oder Produktionstoleranztests.

Produktions- und Zertifizierungsplan

Sobald die DVT-Prüfung so weit fortgeschritten ist, dass ein Design-Freeze eingeleitet werden kann, beginnt die Produktionsplanung. Diese umfasst den Einkauf der benötigten Komponenten von Primär- und Sekundärquellen sowie die Bestellung des kundenspezifischen Gehäuses, des Drucks und der Verpackung. Die produktionsreifen Prototypen können anschließend zur behördlichen Freigabe (UL, IEC, EN, CB Reports usw.) eingereicht werden.

Produktion

Für die Herstellung, Prüfung und Auslieferung des Endprodukts an den Kunden wird eine Montagelinie eingerichtet.

Veränderungsmanagement

Wie bereits erwähnt, gehören Änderungen zum Entwicklungsprozess und müssen aktiv verwaltet werden. Technische Normen werden im Durchschnitt alle drei Jahre aktualisiert, und mitunter erfordert dies eine Anpassung des Custom-Designs, um die Einhaltung neuer Vorschriften sicherzustellen. Änderungen in der Verfügbarkeit von Schlüsselkomponenten müssen gegebenenfalls dem Kunden mitgeteilt und von ihm über eine Produktänderungsmitteilung (Product Change Notice, PCN) genehmigt werden. Die Dokumentation des Produktlebenszyklus (Product Life Cycle, PLC) wird über die gesamte Lebensdauer des Produkts hinweg gepflegt – bis zur Entscheidung des Kunden über das Produktende.

Schlussfolgerung

Typ Anpassungsgrad Komplexität Geschwindigkeit Zusätzliche Kosten
Modified-Standard Eingeschränkt Einfach Mehrere Wochen Geringe oder keine zusätzlichen Kosten
Semi Custom Flexibel, aber begrenzt Mittel Ein paar Monate Geringe NRE-Kosten, aber möglicherweise Gebühren für die Neuzertifizierung.
Full Custom Öffnen Komplex Mehrere Monate Produktabhängig, aber NRE-Kosten und neue Zertifizierungskosten sind erheblich
Tabelle 1: Zusammenfassung der Vor- und Nachteile von Modified-Standard-, Semi-Custom- und Full-Custom-Stromversorgungen

Wie diese kurze Einführung zeigt, kann eine RECOM-Stromversorgung dem Kunden auf unterschiedliche Weise als Modified-Standard-, Semi-Custom- oder Full-Custom-Produkt angeboten werden. Jede Variante hat ihre Vor- und Nachteile (siehe Tabelle 1). Am einfachsten ist es, direkt mit uns in den Dialog zu treten, damit wir Sie beraten und gemeinsam mit Ihnen die optimale Lösung finden können. Zur Unterstützung dieses Prozesses hat RECOM vier spezielle E-Mail-Adressen für Anpassungsanfragen eingerichtet. Ein Mitarbeiter von RECOM wird sich anschließend mit Ihnen in Verbindung setzen, um Ihre Anforderungen im Detail zu besprechen.

Kontaktieren Sie RECOM, um Ihr Projekt zu besprechen und Ratschläge zu erhalten, wie Sie Ihre Full-Custom-, Semi-Custom- oder Modified-Standard-Stromversorgung für minimale Kosten und schnellste Lieferung spezifizieren können.
  Serie
1 DC/DC, Single Output, SMD R-78T-1.0 Series
  • Efficiency up to 95%, no need for heatsinks
  • Industry standard pin-out
  • 1.5A start-up overload capacity
  • Non-isolated regulator, very low standby current