Modified-Standard-, Semi-Custom- und Full-Custom-Designs - der RECOM-Ansatz

Einer der Gründe, warum RECOM über das breiteste Portfolio von Stromversorgungen in der Branche verfügt, ist die schiere Anzahl der verfügbaren Varianten innerhalb unserer Standardproduktpalette. Nehmen wir zum Beispiel eine klassische isolierte und geregelte 5W-DC/DC-Stromversorgung im DIP24-Gehäuse, die REC5-Serie, so bietet sie laut Datenblatt fünf Eingangs- und neun Ausgangsspannungsoptionen, einschließlich der Einzel- und Doppelausgänge.

Es gibt drei verschiedene Isolationsspannungsoptionen von 2kV bis 6kV und drei verschiedene Pinning-Optionen, um sie zu einer pin-kompatiblen Alternative zu den Wettbewerbern zu machen, einschließlich einer Version mit einem Remote-On-Off-Pin. Darüber hinaus können die Pins für die Leiterplattenmontage in THT- oder SMT-Technik ausgeführt werden. Das Gehäusematerial kann Kunststoff oder Metall sein. Schließlich ist die Serie entweder mit Röhren- oder Tape-and-Reel-Verpackung erhältlich. Insgesamt gibt es für diese eine Serie von DC/DC-Stromversorgungen standardmäßig weit über zweitausend Varianten!

Modified-Standard-Stromversorgung

Man sollte 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 5,7 V anstelle der üblichen 5 V, so dass 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 einer 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. Der Schaltzyklus und damit die Ausgangsspannung wird durch die Kombination des Windungsverhältnisses des Transformators, der Vref-Spannung (typisch 1,22 V) und der beiden Programmierwiderstände R1 und R2 bestimmt.

Um diese Stromversorgung so zu modifizieren, dass sie 5,7 V statt 5,0 V liefert, müssten andere R1- oder R2-Werte eingesetzt werden, um ein anderes Teilerverhältnis für die Programmierung zu schaffen. Dies ist eine einfache Modifikation, die mit geringen oder gar keinen zusätzlichen Kosten durchgeführt werden kann. RECOM verfügt über eigene SMD-Bestückungslinien, so dass für die Herstellung einer Charge von Stromversorgungen mit einer geänderten Ausgangsspannung lediglich die Produktions-SOP und das lasergedruckte Etikett geändert werden müssten.

Wir können auch die Wahl der Komponentenwerte optimieren, um die spezifischen Anforderungen der Endanwendung des Kunden zu erfüllen, anstatt uns auf eine Standard-Stromversorgung zu verlassen. Nehmen wir eine ungeregelte DC/DC-Stromversorgung als Beispiel, dann hängt die Ausgangsspannung sowohl von der Last als auch von der Eingangsspannung ab. In der Regel passen wir die Komponentenwerte so an, dass die nominale Ausgangsspannung mit der nominalen Eingangsspannung und einer Last von 80 % geliefert wird, wie im Diagramm der Ausgangsspannungstoleranzhüllkurve (Abbildung 2) dargestellt.

Diese Standardkonfiguration erfüllt die gängigsten Anforderungen an die Ausgangsspannungstoleranz für ungeregelte DC/DC- Stromversorgungen, die in der Regel mit etwas weniger als Volllast arbeiten. Der Kompromiss besteht darin, dass die Ausgangsspannung bei Volllast niedriger und bei niedriger Last höher ist. Sollte ein Kunde verlangen, dass die Ausgangsspannung bei niedriger Last auf weniger als +%7 ansteigt, können wir das Design so ändern, dass die Ausgangsspannung unter, sagen wir, +5% bleibt, indem wir die Komponentenwerte so ändern, dass die Vnom-Spannung bei 70% Last statt bei 80% geliefert wird, wodurch sich der Toleranzbereich effektiv nach unten verschiebt. Der Nachteil wäre eine niedrigere Ausgangsspannung bei Volllast, was aber in dieser speziellen Anwendung keine Rolle spielen dürfte.

Die Ausgangsspannung kann jedoch nur in begrenztem Umfang durch Optimierung der Komponentenwerte verändert werden, um sie besser an die Anforderungen der Endanwendung anzupassen. Die Nennausgangsspannung hängt vom Windungsverhältnis des Transformators ab. Weicht die gewünschte Ausgangsspannung also zu weit von der Norm ab, könnte ein modifizierter Transformator mit einem angepassten Windungsverhältnis erforderlich sein. Dies würde nicht nur eine angepasste Teilenummer für den Transformator, sondern auch eine Neuzertifizierung der Sicherheitsnormen nach sich ziehen. Wir werden nun von einer Modified-Standard-Stromversorgung abrücken und uns das Semi-Custom-Design anschauen.

Semi-Custom-Stromversorgung

Die Grenze zwischen einer Semi-Custom und einer Modified-Standard-Stromversorgung ist nicht immer eindeutig, so dass eine sinnvolle Definition darin besteht, ob eine erneute Sicherheitszertifizierung erforderlich ist. Änderungen, die sich auf sicherheitskritische Komponenten oder Trennungen auswirken - wie z. B. die Konstruktion des Transformators, die Wahl des Optokopplers oder Y-Kondensators oder die Kriech- oder Luftstrecken - erfordern mit ziemlicher Sicherheit ein neues Zertifizierungsverfahren. Die Sicherheitsprüfberichte lassen jedoch in der Regel eine Abweichung von ±10 % bei der Ausgangsspannung und dem Nennstrom zu, um Produktionstoleranzen auszugleichen, so dass ein gewisser Spielraum für Flexibilität bleibt.

Für die Eingangsspannung gilt ebenfalls eine Toleranz von mindestens ±20 %, häufig sogar mehr. Wenn die erforderliche Änderung diese Toleranzbereiche einhalten kann, ist eine erneute Sicherheitszertifizierung möglicherweise nicht erforderlich. Das Gleiche gilt, wenn der ursprüngliche Sicherheitsprüfbericht „alternative Konstruktionsoptionen“ für bestimmte Komponenten oder die Vergussmaterialien aufführt. Wir haben Kundenanwendungen, bei denen Silikon-Vergussmaterial inakzeptabel ist, entweder wegen möglicher Ausgasung, die andere Teile beeinträchtigen könnte, oder weil Silikon bei einem Brand Rauch entwickeln könnte. Obwohl Silikon ein ausgezeichnetes Vergussmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit und guter Haftung ist, können wir diesen Kunden Epoxid-Verguss als Modified-Standard anbieten.

Es mag überraschen, aber das Design und der Text des Etiketts gelten als Teil der Sicherheitsdokumentation und werden von den Zertifizierungsstellen sehr sorgfältig kontrolliert. Wir erhalten regelmäßig Anfragen für ein Full-Custom-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 einer gültigen Sicherheitszertifizierung herzustellen. Wir haben jedoch Erfahrung im Umgang mit solchen Anfragen und bemühen uns, den Prozess so schnell, einfach und unbürokratisch wie möglich zu gestalten.

Sobald wir in den Bereich der Semi-Custom-Stromversorgungen einsteigen, können wir viel mehr Flexibilität bieten als nur die Spezifikationen zu optimieren, wie z.B. die Verwendung alternativer PCB-Layouts, um die Form der Stromversorgungen zu ändern, oder die Anpassung der Pinbelegung, um ein veraltetes Teil eines Wettbewerbers zu ersetzen. Die Änderungen müssen nicht zwangsläufig physischer Natur sein; wir haben auch schon Semi-Custom-Stromversorgungen hergestellt, bei denen höherwertige Komponenten verwendet wurden, um den Betriebstemperaturbereich zu erweitern, oder härteres Epoxidharz, damit die Stromversorgung bestimmte Umweltbedingungen erfüllen kann. Alle diese Modifikationen basieren auf Standarddesigns, so dass ein Semi-Custom-Produkt zwar individuelle Kundenanforderungen an Form, Passform oder Funktion erfüllt, aber dennoch schnell und kostengünstig auf unseren Standardproduktionslinien mit einer kurzen Markteinführungszeit hergestellt werden kann.

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“. Ein Kunde wandte sich an uns und fragte, ob wir unsere Standard-R-78-Serie so modifizieren könnten, dass sie mit diesen auslaufenden Produkten pin- und funktionskompatibel wäre, obwohl sich das Format völlig von unserem bestehenden Design unterscheidet.

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 dafür, dass wir so schnell reagieren konnten, war, dass wir nicht bei null anfangen mussten - wir hatten bereits umfangreiche Erfahrungen mit der Entwicklung und Herstellung von Schaltregler-Modulen und konnten diese als Grundlage für das Semi-Custom-Design nutzen.

Kürzlich erhielten wir eine Anfrage für ein 20-W-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 waren in der Lage, ein Semi-Custom-Produkt, den RAC20-K/X6, mit einem überarbeiteten PCB-Layout und einer Transformatorenkonstruktion herzustellen, um die Anforderungen der IEC 62477-1, OVC III, mit einer verstärkten Isolierung von 4kVAC/1 Minute anstelle der Standardwerte von 3 kVAC/1 Minute zu erfüllen. Dieses Kunststück wurde erreicht, ohne die Abmessungen, die Pinbelegung oder andere wichtige Spezifikationen wie den weiten Eingangsspannungsbereich, den weiten Betriebstemperaturbereich und die Leistungsaufnahme < 40mW ohne Last zu ändern.

Bei vielen Semi-Custom-Designs benötigen auch andere Kunden ähnliche Teile, und sie können 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, aber natürlich bewährte und getestete Bausteine und gegebenenfalls die bestehende Produktionsinfrastruktur nutzt. Typische Voraussetzungen, die ein Full-Custom-Stromversorgungsprojekt rentabel machen, sind, dass kein bestehendes Produkt den Bedarf erfüllen kann, dass die Kosten (FuE, Tests und Produktion) für beide Partner tragbar sind und dass das Projektvolumen die Investition in Ressourcen rechtfertigt.

Die typischen Projektphasen einer Full-Custom-Stromversorgung sind in Abbildung 5 dargestellt:

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. Eine Änderung der Spezifikationen in dieser Phase ist üblich. RECOM ist sich darüber im Klaren, dass selbst wenn die anfänglichen Anforderungen an die Full-Custom-Stromversorgung klar und genau definiert sind, die Spezifikationen gelegentlich, in der Regel als Reaktion auf Veränderungen auf dem Markt, aktualisiert oder weiter modifiziert werden müssen. Das ist ganz normal. Solange die Kommunikationskanäle zwischen dem Kunden und dem RECOM-Designteam offen sind, sind wir bestrebt, so flexibel wie unsere Kunden zu sein. Nach der Genehmigung der ersten Prototypen ist der nächste Schritt die Herstellung von Vorserienprototypen (mindestens 50 Stück), damit statistisch gültige Leistungs- und Belastungstests durchgeführt werden können.

DVT/PVT: Die Design- und Produktionsverifizierungstests sind für den Erfolg des Projekts entscheidend. RECOM muss Datenblätter und Testdokumente bereitstellen, die beim Kunden ein hohes Maß an Vertrauen erwecken, dass das Custom-Design für den Zweck geeignet 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 (elektrische und thermische Belastungstests, Tests im sicheren Betriebsbereich, Langzeit-Soak-Tests, Schock- und Vibrationstests usw.) oder Produktionstoleranztests.

Produktions- und Zertifizierungsplan: Sobald die DVT-Prüfung so weit fortgeschritten ist, dass ein Design-Freeze eingeleitet werden kann, kann mit dem Produktionsplan begonnen werden, der den Einkauf der erforderlichen Komponenten von Primär- und Sekundärquellen sowie die Bestellung des Full-Custom-Gehäuses, des Drucks und der Verpackung umfasst. Die produktionsreifen Prototypen können zur Genehmigung durch die Behörden (UL, IEC, EN, CB Reports usw.) verschickt werden.

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

Veränderungsmanagement: Wie bereits erwähnt, gehören Änderungen zum Leben und müssen verwaltet werden. Technische Normen werden im Durchschnitt alle drei Jahre aktualisiert, und manchmal erfordert dies eine Änderung des Custom-Designs, um mit neuen Vorschriften konform zu bleiben. Änderungen an der Verfügbarkeit von Schlüsselkomponenten müssen unter Umständen dem Kunden mitgeteilt und von ihm mit einer Produktänderungsmitteilung (Product Changer Notice, PCN) genehmigt werden. Die Dokumentation des Produktlebenszyklus (Product Life Cycle, PLC) wird während der gesamten Lebensdauer des Produkts bis zur Entscheidung des Kunden über das Ende der Lebensdauer geführt.

Schlussfolgerung

Wie diese kurze Einführung zeigt, kann eine RECOM-Stromversorgung dem Kunden als Modified-Standard-, Semi-Custom- oder Full-Custom-Produkt auf mehrere Arten angeboten werden. Jede Variante hat Vor- und Nachteile (Abbildung 6), so dass es am einfachsten ist, mit uns in einen Dialog zu treten, damit wir Sie beraten und gemeinsam mit Ihnen die optimale Lösung anbieten können.

Um dies zu erleichtern, hat RECOM vier spezielle E-Mail-Adressen für Anpassungswünsche eingerichtet. Ein Mitarbeiter von RECOM wird sich dann mit Ihnen in Verbindung setzen, um Ihre Anforderungen im Detail zu besprechen.

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