Bauen oder Kaufen 2: Bewertung der Ressourcen

Dieses Whitepaper behandelt das Thema “Bauen oder kaufen?” mit einem frischen ganzheitlichen Blick auf die Perspektiven und die häuftig auftauchenden Fragen die sich System- und Board Entwickler in die Zusammenhang stellen müssen.

1. Erkundung der Landschaft

In einem früheren Whitepaper zum Thema „Bauen oder kaufen?“ [1] haben wir einen frischen, ganzheitlichen Blick auf die Perspektiven für diese schwierige, aber häufige Frage geworfen, die sich System- und Board-Entwickler immer wieder stellen müssen. Wir haben viele Faktoren (technische, logistische, geschäftliche und andere) identifiziert, die berücksichtigt werden müssen, damit ein Designer seinen eigenen Prozess zur Bewertung dieser vielen Faktoren in Gang setzen und einen Plan schmieden kann, der seiner Situation am besten gerecht wird. Wir haben auch die Vor- und Nachteile vorgestellt, die es zu berücksichtigen und zu vergleichen gilt, wenn man versucht, eine Vielzahl der Faktoren, die beim Anwendungsdesign eine Rolle spielen, zu rationalisieren.

In diesem Whitepaper werden wir uns mit bestimmten Faktoren innerhalb des Evaluierungsprozesses und ihren Erfolgsquoten vor der Entwicklung eingehender befassen. Dabei geht es vor allem um die Bewertung der Ressourcen externer Anbieter von Stromversorgungen, die Ermittlung der Flexibilität Ihres Unternehmens/Teams für Ihren Ansatz und um Ratschläge, wie Sie diesen Ansatz mit der Zustimmung Ihres Teams realisieren können.

Ein Faktor, den man in Betracht ziehen sollte, ist das modulare Portfolio eines Anbieters von Stromversorgungen. Gehen Sie auf die Website eines Anbieters von Stromversorgungen und sehen Sie sich die Produkte an, die Ihrer Meinung nach gut zu dem passen, wonach Sie suchen. Denken Sie daran, dass das Hauptziel dieser Tätigkeit nicht darin besteht, die Finger zu kreuzen und zu hoffen, dass man das perfekte, kommerziell erhältliche Teil findet, das alle Designanforderungen erfüllt. Natürlich kann auch das ein großartiger Zufall sein, aber was man in den meisten Fällen wirklich bewerten sollte, sind die Fähigkeiten des Anbieters.

Dies kann man anhand von Produktlisten, Gesprächen über die abgedeckten Produktbereiche und Industriemärkte und vielleicht sogar anhand von Fallstudien oder historischen Hintergrundinformationen über echte, nachgewiesene Lösungen für echte Probleme machen.

Die Anbieter stellen diese Art von Inhalten in verschiedenen Formaten zur Verfügung. Dazu gehören unter anderem Datenblätter, Zertifizierungen, Anwendungshinweise, Whitepaper, Webinare, Produkt-/Marketing-Übersichtsdokumente, Design Guides, Evaluierungsmodule usw.
Geht man Ebene tiefer, sollte man zusätzlich zu den Investitionsausgaben (CAPEX) auch die personellen Ressourcen berücksichtigen. Wie viel Erfahrung hat das Team? Wie lange arbeitet es schon als Team zusammen? Wie lange arbeitet es schon speziell in dem Anwendungsbereich Ihrer Lösung?

Viele dieser Fragen mögen trivial erscheinen, aber in der Praxis lernt man, dass diese Kleinigkeiten den Unterschied ausmachen können, wenn es um die Frage „Bauen oder Kaufen?“ geht und dass sie die Auswahl eines Anbieters erleichtern, wenn man sich für einen externen Anbieter entscheidet.

Dies gilt zwar eher für Full-Custom- oder Semi-Custom-Entwicklungen, sollte aber auch bei COTS-Lösungen nicht außer Acht gelassen werden. Nur weil Sie ein vollständig entwickeltes, qualifiziertes Teil kaufen, bedeutet es nicht, dass:

  1. es genau für Ihre Anwendung entwickelt/qualifiziert wurde;
  2. Sie die Unterstützung/Ressourcen erhalten, die Sie benötigen, um es ordnungsgemäß in Ihr System zu integrieren;
  3. Sie die Unterstützung/Ressourcen erhalten, die Sie benötigen, um ein Problem mit der Qualität/Zuverlässigkeit und/oder Fehlern im Feld angemessen zu lösen.
Unten sehen Sie ein Beispiel für eine Produktmatrix auf der Website eines führenden Stromversorgungsunternehmens. Dies ist eine sehr gängige Methode, um sich schnell einen Überblick über das Angebot des Anbieters zu verschaffen und die wichtigsten Spezifikationen zahlreicher Stromversorgungslösungen zu vergleichen. In der Regel gibt es auch einige Filteroptionen, um die Auswahl einzugrenzen.

Eine gut organisierte, informative Website, die einfach zu navigieren und intuitiv zu bedienen ist, kann ein erster, inoffizieller Indikator dafür sein, welche Art von Erfahrung man von einem Stromversorger erwarten kann.



Abb. 1: Screenshot der Website des Produktauswahltools eines Anbieters von Stromversorgungen, mit freundlicher Genehmigung von RECOM Power [2]


Produktdatenblätter müssen leicht zu finden sein, ohne dass man sich durch viele Schritte klicken muss, wie z.B. von Seite zu Seite und/ oder eine große Menge an Informationen eingeben muss. Idealerweise werden die Datenblätter von zahlreichen Designbeispielen, Anwendungshinweisen, des Einsatzes in Zielanwendungen und anderen praktischen Designtools (z.B. Rechner und Simulatoren) begleitet.

Muss man ein einziges Element auswählen, um einen Anbieter vor allen anderen zu bewerten (bevor man überhaupt mit ihm gesprochen hat), dann sind das die Datenblätter. Wenn Sie die Datenblätter genau unter die Lupe nehmen, können sie Ihnen Aufschluss darüber geben, welche Art von Anbieter Sie erwarten können, wenn Sie mit diesem Entwicklungspartner zusammenarbeiten.

Einige gängige Datenblattelemente und einige der impliziten Botschaften (direkt oder indirekt) sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Datenblattposition Mögliche Interpretationen
NETZ-/LASTREGELUNG, RIPPEL & NOISE
  • Das absolute Minimum für eine Stromversorgung sollte in einer Tabelle mit Minimal-/Normal-/Maximalwerten angegeben werden. Idealerweise sollten auch die entsprechenden Testbedingungen (wie die Umgebungstemperatur) angegeben werden.
  • Ein umfassendes Dokument enthält viele Kurven/Wellenformen, die die Leistung bei voller Leistung/Last/Temperatur über den gesamten Betriebsbereich zeigen.
  • UNTERSCHEIDUNGSMERKMALE: Die Kurven decken einen Netz-/Lastbereich ab, der mit der typischen Anwendung/Umgebung übereinstimmt (0-100% Last), oder zumindest den vollen Betriebstemperaturbereich.
EFFIZIENZ
  • Dies wird gemeinhin als eine der wichtigsten Kennzahlen angesehen. Das absolute Minimum für ein Netzteil sollte in einer Tabelle mit Minimal-/Normal-/Maximalwerten angegeben werden. Idealerweise sollten auch die entsprechenden Testbedingungen (wie z.B. der Ladevorgang für jeden angegebenen Punkt) angegeben werden.
  • Ein umfassendes Dokument wird viele Kurven/Wellenformen für eine Handvoll gängiger Vin,Vout-Szenarien enthalten, die die Leistung über den gesamten Lastbereich zeigen.
  • UNTERSCHEIDUNGSMERKMALE: Die Kurven decken einen Linien-/Lastbereich ab, der mit der typischen Anwendung/Umgebung übereinstimmt, und versuchen nicht, einen Lastbereich abzuschneiden (insbesondere im Bereich 0-20%). Multimodale Kurven sind in der Regel ein Indikator für eine Stromversorgung, die mehr als einen Betriebsmodus unterstützt (z.B. Puls- Skipping-Modus bei <10% Lastübergangspunkt, mehrphasige Lösungen usw.).
BETRIEBS-/ UMSCHALTFREQUENZ
  • Das absolute Minimum für eine Stromversorgung sollte in einer Tabelle mit Minimal-/Normal-/Maximalwerten angegeben werden. Idealerweise sollten auch die entsprechenden Testbedingungen (wie die Umgebungstemperatur) angegeben werden.
  • In einer umfassenden Dokumentation wird angegeben, ob die Frequenz fest/variabel ist, und es werden Kurven/Wellenformen zur Verfügung gestellt, die die Leistung über den gesamten Betriebsbereich zeigen (insbesondere bei variablen Frequenzen).
  • UNTERSCHEIDUNGSMERKMALE: Alle frequenzabhängigen Merkmale, seien es lastabhängige Änderungen der Frequenz (z.B. resonante Topologien) oder Maßnahmen zur Abschwächung von EMI (z.B. Spread-Spectrum-Taktung). Ein klares Warnsignal ist, wenn man nicht einmal erkennen kann, ob das Schaltwandler eine feste oder variable Schaltfrequenz unterstützt und/ oder der Anbieter auf Nachfrage nicht antworten kann.
SCHUTZSCHALTUNGEN
  • Dies kann angesichts der vielen möglichen Schutzfunktionen (oder auch nicht) sehr unterschiedlich sein. Das absolute Minimum für eine Stromversorgung sollte in einer Tabelle mit Minimal-/Normal-/Maximalwerten angegeben werden. Idealerweise sollte sie auch die entsprechenden Testbedingungen enthalten (sofern zutreffend). Diese Spezifikationen sollten Schwellenwerte für Fehler/Vergleiche, Reaktionszeiten (einschließlich einer angemessenen Hysterese) und die ergriffenen Maßnahmen (z.B. Selbsthaltung, Nicht-Selbsthaltung und Hiccup-Modus) enthalten.
  • In einer umfassenden Dokumentation werden die Schaltkreise der Schutzmethode mit Beschreibungen, Gleichungen und Funktionsblockdiagrammen definiert.
  • UNTERSCHEIDUNGSMERKMALE: Kurven/Wellenformen, die das Verhalten unter bestimmten Bedingungen demonstrieren (Identifizierung dieser Bedingungen), detaillierte Erklärungen der durchgeführten Aktionen (z.B. Flussdiagramm des Zustandsautomaten für SW und HW) und vielleicht sogar einige Gedanken/Vorschläge zu alternativen Anwendungen/Verwendungen. Die besten Dokumentationen enthalten auch potenzielle Fehlermöglichkeiten sowie die Risiken/Auswirkungen solcher Fehler. Dies ist ein Bereich, in dem die Anbieter in der Regel sehr risikoscheu sind und keine Angaben zu potenziellen Fehlerszenarien machen. Wenn sie jedoch gefragt werden: „Was wäre, wenn ich dies täte...?“ oder „Deckt die Garantie ab, wenn ich den Konverter durch einen Kurzschluss zwischen X und Y beschädigen kann?” oder wenn ihnen ähnliche Fragen gestellt werden, erhält man schnell umfassende Antworten.
EINGANGS-/ AUSGANGSKAPAZITÄT (INKL. FILTERUNG)
  • Das absolute Minimum für eine Stromversorgung sollte in einer Tabelle mit Mindest-/Normal-/Maximalwerten angegeben werden, wobei es hier aufgrund der vielen Zwecke, denen die Kappen dienen, eine große Varianz gibt. Eine Mindest- und/oder Höchstmenge an Kondensatoren kann für die Schleifenstabilität erforderlich sein, aber eine Restwelligkeitsspezifikation kann sowohl von internen als auch von externen Faktoren abhängig sein (z.B. interne EMV-Drossel, Restwelligkeitsreduzierung durch externe Transienten). Die damit verbundenen Anforderungen an die Restwelligkeit/Lebensdauer sollten ebenfalls angegeben werden.
  • Ein umfassendes Dokument enthält einen oder mehrere Abschnitte, die den Anforderungen an die Eingangs- und/oder Ausgangskappen gewidmet sind. Für EMV-Zwecke kann dies in Form der Angabe von Filtern oder lediglich von Konformitätsstufen geschehen.
  • UNTERSCHEIDUNGSMERKMALE: Detaillierte Berechnungen/Anforderungen für die Kapazität, Diskussionen/Erläuterungen zu verschiedenen Arten von Kapazitäts- und Impedanzkurven. Die besten Dokumente bieten auch einige Kompromisse zwischen Kapazitätsart, Größe und anderen Werten, um die Höhe/footprint/Zuverlässigkeit und Kosten zu optimieren.
SICHERHEIT/ISOLIERUNG (INKL. ZERTIFIZIERUNGEN)
  • Dies kann sehr unterschiedlich sein, da die anwendungsspezifischen bzw. branchenspezifischen Sicherheitsstandards sehr unterschiedlich sein können. Zumindest sollte die Einhaltung einer bestimmten Norm angegeben werden, und zwar in welchem Umfang (oft mehrere Klassen/Stufen). Bei Stromversorgungen sollte dies ein Mindestmaß an EMV und die Einhaltung einer funktionalen Norm in Bezug auf Sicherheitsabstände/Isolierung umfassen. Achten Sie besonders auf die regionalen/industriellen Anforderungen.
  • Das absolute Minimum für eine Stromversorgung, die eine Isolierung erfordert/beansprucht, sollte den maximalen Isolationsgrad und die Widerstandszeit in einer Tabelle mit technischen Daten angeben. Im Idealfall wird auf die Parameter des Isolationstests (inkl. Widerstand und Kapazität) und/oder die Norm verwiesen.
  • Eine umfassende Dokumentation enthält Testdaten oder zumindest einen Verweis/Link/Kontakt, wo solche Daten zu finden sind.
  • UNTERSCHEIDUNGSMERKMALE: Eine Angabe zur Isolationsspannung (z.B. 3kV), die nicht zeigt, ob AC oder DC oder für wie lange verwendet wird, ist bedeutungslos. Ebenso ist es wenig hilfreich, wenn im Datenblatt erwähnt wird, dass eine bestimmte Norm erfüllt wird, ohne dass angegeben wird, welche Ausgabe oder Änderung abgedeckt ist. Es besteht auch ein großer Unterschied zwischen „entwickelt, um zu entsprechen“ und „zertifiziert“, wenn die Einhaltung eines Standards oder einer Norm angegeben wird. Ein gutes Datenblatt enthält Messdaten aus Konformitätstests, insbesondere wenn diese für verschiedene Konformitätsstufen durchgeführt wurden (z.B. EMI-Kurve für Klasse A und B, leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen), um anzuzeigen, wie gut die Anforderungen erfüllt werden. Die besten Dokumente bieten auch Anleitungen (meist in Bezug auf das Layout), wie man die Einhaltung der Standards optimieren/aufrechterhalten kann (je nach Anwendung/Industrie). Die Antwort eines Teams auf Fragen zu den Grenzwertdaten wird Ihnen sicherlich wertvolle Erkenntnisse liefern.
DATEN ZUR QUALITÄT/ ZUVERLÄSSIGKEIT
  • Dies kann sehr unterschiedlich sein, wenn man bedenkt, wie viele Normen/Richtlinien bei der Bestimmung der Konformität eine Rolle spielen. Ein typisches Minimum ist die Angabe der Einhaltung einer Norm (z.B. MIL-HDBK-217F, IPC-9592). Üblicherweise wird eine mittlere Zeit zwischen zwei Ausfällen (MTBF) angegeben. Beachten Sie, dass MTBF-Berechnungen durch die Wahl unterschiedlicher Umgebungsbedingungen sehr leicht manipuliert werden können. Wählen Sie daher ein Teil nicht allein aufgrund der MTBF-Stunden aus.
  • Ein umfassendes Dokument enthält Teststufen (typischerweise max. für Schock, Vibration und powerline immunity) und Details zum Testaufbau. Es werden Zahlen sowohl für die berechnete als auch für die nachgewiesene MTBF angegeben.
  • UNTERSCHEIDUNGSMERKMALE: Die besten Dokumentationen enthalten detaillierte Daten aus Tests, aber das kommt selten vor. Auf der anderen Seite kann der Zugang zu einer Dokumentation über Qualität/Zuverlässigkeit und/oder die Möglichkeit, Ergebnisse und Änderungen zur Abmilderung von Testfehlern zu diskutieren, eine der wertvollsten Ergänzungen sein. Wie unten erwähnt, ist die Bereitstellung von thermischen Daten hier sehr hilfreich.
MECHANISCHE DATEN (ohne Berücksichtigung thermischer Aspekte)
  • Zu den mechanischen Mindestdaten einer Stromversorgung gehören die mechanischen Abmessungen, das Gewicht und eine Erklärung zur Materialkonformität (z.B. RoHS, WEEE) und Entflammbarkeit (z.B. UL94).
  • Ein umfassendes Dokument enthält ein mechanisches Diagramm mit einer isometrischen Ansicht der Stromversorgung und der Kennzeichnung aller Eingangs-/Ausgangsverbindungen (elektrisch oder anderweitig). Eine empfohlene Grundfläche und Informationen zum Lötprofil sollten für alle montierbaren Komponenten angegeben werden.
  • UNTERSCHEIDUNGSMERKMALE: Die besten Dokumente enthalten die vollständige Pinbelegung für alle Anschlüsse, alle Daten zur Orientierung (z.B. Pin 1 Markierung) und Informationen zu mechanischen Toleranzen. Sie enthalten auch Details zur Verpackung (Abmessungen und Lagerungsinformationen).
THERMISCHE DATEN (ohne Berücksichtigung des Formfaktors)
  • Das absolute Minimum für eine Stromversorgung sollte eine Tabelle mit Angaben zu den Mindest-/Normal-/Maximalwerten der unterstützten Temperaturbereiche sowohl im Betrieb als auch außerhalb des Betriebs (z.B. bei der Lagerung) sein. Dazu gehört in der Regel auch eine Angabe zur maximalen relativen Luftfeuchtigkeit (RH).
  • Eine umfassende Dokumentation enthält thermische Derate-Kurven, die zeigen, wie die Leistung an den Extremen des unterstützten Temperaturbereichs eingeschränkt werden kann (aber immer noch lebensfähig ist).
  • UNTERSCHEIDUNGSMERKMALE: Die besten Dokumentationen enthalten Wärmeprofile (typischerweise eine IR-Kamera-Wärmekarte) auf beiden Seiten der Hauptsystem-PCA(s), um spezifische Hotspots der Komponenten zu identifizieren und verschiedene Belastungsstufen und Luftstromprofile und/oder Kühllösungen zu vergleichen.
Tabelle 1: Informationen und Interpretationen des Datenblatts für die Stromversorgung


Da auch Informationen, die auf dem Datenblatt fehlen, viel aussagen können, sollte man nachfragen, warum etwas vorhanden ist oder nicht. Diese Fragen sind zwar manchmal etwas umständlich, aber sie können Ihnen helfen, schnell herauszufinden, wie gut das Produkt funktioniert, ob es irgendwelche Probleme gab (z.B. Lieferschwierigkeiten und Fehler im Feld), wie gut der Anbieter organisiert ist, wie transparent er kommuniziert und wie gut das Team untereinander zu kommunizieren scheint.

Wenn Sie diese Analyse bei mehreren Anbietern durchführen, um sich einen Überblick über den Markt zu verschaffen, achten Sie auf die Daten, die Sie bei Ihrer Analyse erhalten. Gibt es auf dem Markt viele gleiche/ähnliche Lösungen für das, wonach Sie suchen? Dafür gibt es wahrscheinlich gute Gründe, und sie können Ihnen Hinweise auf ...

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