Semi-Custom-Stromversorgungen: Bauen oder Kaufen?

Bei der Ermittlung der Kosten einer Stromversorgung und der einzelnen Stromschienenanforderungen für ein neues Design kommt man unweigerlich zur Frage, ob die einzelnen Energielösungen intern entwickelt werden sollen oder ob man sich an externe Anbieter wendet, um schlüsselfertige Lösungen (auch bekannt als „off-the-shelf“) zu bekommen.

Selbst wenn man von den umfangreichen technischen Kenntnissen und der Erfahrung absieht, die für die Entwicklung einer eigenen Energielösung erforderlich sind, kann die schiere Menge an Ressourcen, Prozessen und Qualifikationen/Zertifizierungen, die damit verbunden sind, einem den Atem rauben.

Viele der in diesem Whitepaper angesprochenen Faktoren sind für den gesamten Bewertungsprozess von Bedeutung, aber wir gehen hier nicht auf alle Überlegungen ein. Jeder dieser Faktoren könnte ein eigenes, vollständiges Whitepaper oder sogar eine mehrtägige Schulung erfordern, die von jahrelanger praktischer Erfahrung begleitet wird.

Dieses Whitepaper soll Ingenieure in die Lage versetzen, bei der Beantwortung der Frage: „Bauen oder Kaufen?“ eine möglichst fundierte Entscheidung zu treffen. Die Entscheidung ist nicht immer einfach und erfordert eine umfassendere Kosten-Nutzen-/Gesamtbetriebskosten-Analyse, die weit über die reine Stückliste hinausgeht.

Die typischen Schwerpunktbereiche für Designprioritäten bei der Betrachtung des strategischen Ansatzes für Stromversorgungslösungen sind die Faktoren: Größe, Gewicht und Leistung (SWaP), manchmal auch als SWaP-C-Faktoren (einschließlich des Kostenelements) bekannt. SWaP ist besonders bei Anwendungen für Stromversorgungssysteme wie Mobilität (insbesondere E-Mobilität), MIL-Luft- und Raumfahrt, tragbare medizinische Geräte und High-End-Transportmittel wie z.B. Eisenbahnanwendungen wichtig.

Wie wir noch ausführen werden, kann die Optimierung dieser SWaP-Faktoren oft im Widerspruch zueinanderstehen, sodass es keine allgemeingültigen Regeln für die Maximierung jedes einzelnen Faktors gibt, was das Finden der richtigen Balance für Ihr System und Ihre Anwendung eher zu einer kreativen Kunst als zu einem Routineprozess macht.

In vielen Situationen müssen Prioritätskonflikte bei dem Design mit physikalischen Gegebenheiten in Einklang gebracht werden, die außerhalb der Kontrolle des Ingenieurs liegen. Dies kann eine doppelte Herausforderung sein, wenn man versucht, Geschäfts- und Leistungsziele zu erreichen, bei denen Einfachheit an erster Stelle steht. So können die Vorteile vereinfachter Entscheidungsprozesse und Kalkulationsmodelle in einem gewissen Widerspruch zu einem genaueren, fundierten Prozess stehen. Nehmen wir zum Beispiel die Kennzahl Dollar/Watt ($/W), mit der versucht wird, die Kosten von Stromversorgungen durch die Bewertung des grundlegenden Verhältnisses zwischen Stückkosten und maximaler (kontinuierlicher) Nennausgangsleistung zu vergleichen.

Entwicklungsingenieure in der gesamten Branche werden gebeten, diese Kennzahl zur Bewertung von Stromversorgungsdesigns und zur Auswahl von Lösungen zu verwenden. Diese Kennzahl kann jedoch eine besondere Herausforderung darstellen, da der Antriebsstrang (und damit die maximale Leistung) einer Lösung in der Regel nicht der lineare Treiber der TCO-Kosten ist.

Entwicklungsingenieure in der gesamten Branche werden gebeten, diese Kennzahl zur Bewertung von Stromversorgungsdesigns und zur Auswahl von Lösungen zu verwenden. Diese Kennzahl kann jedoch eine besondere Herausforderung darstellen, da der Antriebsstrang (und damit die maximale Leistung) einer Lösung in der Regel nicht der lineare Treiber der TCO-Kosten ist.



In der nachstehenden Tabelle finden Sie einige anwendungsspezifische Designnuancen und Herausforderungen. In den folgenden Abschnitten dieses Whitepapers wird erläutert, wie einige dieser Kompromisse bei der Entwicklung angegangen werden können.

Angesichts des unerbittlichen Drucks, die Effizienz von Stromversorgungen ständig zu verbessern und SWaP-Metriken zu berücksichtigen, gab es in den letzten 10-12 Jahren viel Aufsehen und Fortschritte bei der Integration von WBG-Lösungen (typischerweise Galliumnitrid oder Siliziumkarbid, GaN bzw. SiC) aufgrund verbesserter Leistungskennzahlen für FET/Dioden-Eigenschaften wie Sperrspannung, Kanalwiderstand, Gate-Ladung, Wärmeleitfähigkeit, Schaltgeschwindigkeit und Gehäusegröße, wenn man eine Handvoll 300-W-Wechselstromlösungen vergleicht.

Es spielt keine Rolle, wie effizient, dicht, robust und preiswert Ihre Stromversorgung ist, wenn Sie die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zur Abschwächung elektromagnetischer Störungen (EMI) in der Anwendung nicht erfüllen, da dies in den meisten geografischen Einsatzgebieten eine gesetzliche Anforderung ist.

In diesem Whitepaper fehlt uns der Platz, um alle Gleichungen (z.B. das Stabilitätskriterium von Middlebrook, Filterresonanz-/Komponentenberechnungen usw.) und Designrichtlinien für das Filterdesign zu erläutern. Wir möchten jedoch darauf hinweisen, dass das Filterdesign eine erstaunliche Herausforderung darstellen kann. Filterkomponenten stehen in der Regel auf dem kritischen Pfad der Entwicklung, da sie für das Bestehen der EMV kritisch sind, können aber auch zu den größten und/oder teuersten Komponenten in der Stückliste gehören. Unterschätzen Sie diesen Aspekt der Stromversorgungsentwicklung und -optimierung nicht.

Glücklicherweise gibt es im Internet einige kostenlose Ressourcen, die beim EMI-Design helfen, zum Beispiel die RECOM DC/DC und AC/DC Books of Knowledge [3b].

Nachdem wir nun viele der Aspekte behandelt haben, auf die man sich bei der Definition neuer Anforderungen an Stromversorgungslösungen konzentrieren sollte, ist es nun an der Zeit, mit der Recherche zu beginnen.

Dabei gibt es in der Regel zwei Möglichkeiten: Entweder man öffnet seinen Internetbrowser und sucht nach Anleitungen/Ratschlägen/Lösungen, oder man greift zum Telefon oder sendet eine E-Mail, um eine etablierte Quelle zu kontaktieren. Es gibt hier keine richtige Antwort, und man kann sogar behaupten, dass der beste Erfolg mit einem hybriden Ansatz erzielt wird, bei dem einige grundlegende Recherchen über Entwurfstechniken, Leistungstopologien und etablierte Lösungen durchgeführt werden, um die Kontaktaufnahme mit Experten zu ergänzen.

Der hybride Ansatz ist gut, denn selbst etablierte Anbieter/Experten unterliegen ihren eigenen Vorurteilen, insbesondere wenn sie versuchen, Ihnen ihr eigenes Produkt zu verkaufen. Die Webinare und Fachartikel können viele großartige Informationen liefern, diese müssen aber mit Vorsicht genossen werden. Es ist wichtig zu verstehen, dass die meisten technischen Papiere aus akademischen Quellen stammen, die sehr gut sein können, um ein Problem in einer sehr kontrollierten Umgebung zu lösen, aber möglicherweise nicht gut auf industrielle und/oder großvolumige Anwendungen übertragen werden können oder finanziell pragmatisch sind.

Es gibt viele Informationsquellen aus diesen beiden Kategorien, die von Taschenrechnern/Simulationstools und Whitepapers/App-Notes/Webinaren bis hin zu HW/SW-Emulations-Tools zur Bewertung von Komponenten wie Evaluierungsboards/Kits reichen.

Digitale Stromversorgungslösungen verfügen in der Regel über eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) oder eine Art SW-App, um die Schnittstelle/Einrichtung der Hardware zu erleichtern. Nichts ist aber vergleichbar mit dem Bau und Testen echter Boards. Wenn man sich für bestimmte Komponenten interessiert, sollte man neben den technischen Daten auch auf die Verfügbarkeit achten. Große Vertriebspartner (z. B. Mouser, Arrow, Digi-Key usw.) sind hierfür hervorragend geeignet, da sie über umfangreiche Bauteillisten verfügen, wobei die Verfügbarkeit von Lagerbeständen ein wichtiger Indikator für die weltweite Versorgung sein kann. Man sollte nicht vergessen, dass auch ein perfektes Bauteil nichts nutzt, wenn man es nicht bestellen kann (oder es nicht zum gewünschten Zeitpunkt erhalten kann).

Wie bei den meisten Dingen des Lebens basiert der Erfolg auf einer guten Kommunikation, und die Entwicklung von Stromversorgungen ist da sicherlich keine Ausnahme. So viele der typischen Merkmale (z. B. Ausfälle im Feld, Zeitplanüberschreitungen, Budgetüberschreitungen, schlechte Produktionsausbeute usw.) können tatsächlich auf die Kommunikation (oder deren Fehlen) mit den Hauptbeteiligten zurückgeführt werden.

Selbst etwas so Einfaches wie die Sicherstellung, dass sich der Entwickler mit dem Verfasser des Produkt-/Marketing-Anforderungsdokuments (PRD/MRD) kommuniziert, kann die Erfolgschancen bei der Beseitigung dieser häufigen Probleme enorm erhöhen. Stellen sie sicher, dass es ein klares Verständnis in Bezug auf folgende Aspekte gibt:

1. Was muss die Stromversorgungslösung/das Stromversorgungssystem leisten (z. B. - funktionale Spezifikation);
1. Dabei geht es nicht nur um Minimal-/Maximal-/Nominal-Sollwerte für die Stromversorgung, sondern auch um das Verständnis der funktionalen Anforderungen des Systems, das es versorgt. In erster Linie müssen die statischen und dynamischen (instationären) Leistungsanforderungen der Last erfüllt werden, aber es gibt auch viele Anforderungen zweiter Ordnung zu berücksichtigen, wie z.B. das zu unterstützende thermische Gesamtprofil (Kompatibilität mit den Umgebungseigenschaften des Systems und den Kühlungslösungen der Stromversorgung) und die Art der SW/FW-Interaktion zwischen der Stromversorgung und dem System (d.h. die Fehlerbehandlung).).


2. Ihr Betriebsumfeld (z. B. - Sicherheits-, Prüf- und Qualifikationsanforderungen);
1. Abgesehen von der Umgebungstemperatur/Luftfeuchtigkeit müssen auch andere Faktoren berücksichtigt werden, die sowohl das Design als auch die Leistung beeinflussen können. Ein Design für hohe Meereshöhe bedeutet einen größeren Betriebstemperaturbereich auf Meereshöhe. Vielleicht befindet sich das System in einer stark korrosiven Umgebung, wie z.B. in einem Öl- und Gasbohrloch, oder es ist extremen Stößen, Vibrationen oder Strahlung ausgesetzt.
2. Besonderes Augenmerk sollte man auch auf die Auswirkungen von Extremtemperaturen legen. Batterien haben unterschiedliche Kapazitäten oder können vielleicht sogar nur schwer Strom im kalten Zustand liefern. Die Lebensdauer von Kondensatoren kann ...