定制化电源解决方案：AC/DC 与 DC/DC 设计

在评估标准电源产品并判断是否需要定制化设计时，理解电源设计的核心考量因素至关重要。 电源市场复杂且动态多变，需要采用多样化方案来满足广泛的应用需求、不断提高的能效标准以及持续更新的法规要求。尽管 RECOM 提供超过 30,000 种标准产品，但部分特殊应用场景仍需量身定制的解决方案 —— 即完 全定制化方案。

数十年前，电源设计是一项相对简单的任务。当时的电源以线性拓扑为主，典型电源的前端由变压器、全波桥式整流器和大容量滤波电容组成。这种线性设计简单可靠，若非稳压电源能满足需求，其效率也相当可观。但一旦加入稳压功能，效率便会大幅下降。线性稳压器通过调整调整管（功率晶体管）两端的电压来控制输出电压，这会产生大量热量，导致效率最低可降至 60%。

开关电源拓扑的出现改变了这一局面。通过将输入直流电压斩波为高频开关电压，以获得所需的输出电压和电流，功率晶体管大部分时间工作在高效的 “导通” 或 “关断” 状态，从而最大限度地减少功率损耗。开关电源的架构形式多样，随着时间推移，涌现出众多开关拓扑，每种拓扑在特定应用中各有优劣。目前常见的选项包括升压、降压、升降压、丘克（Ćuk）、反激、正激、全桥、半桥、推挽、SEPIC、同步降压、双开关正激、温伯格（Weinberg）和泽塔（zeta）拓扑等。

此外，日益严格的法规要求大多数 AC/DC 设计必须增加前端功率因数校正（PFC）级。对更高效率的追求推动了设计复杂度的提升，从早期的无源 PFC，到传统的升压转换器，再到近年来的图腾柱拓扑。同时，功率器件的种类也在不断增多。双极晶体管已基本被各类 MOSFET 技术取代，硅材料之外，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）也成为重要的功率器件材料。

如今，开关电源的工作频率已达到兆赫兹（MHz）级别，效率可轻松超过 90%。但这种性能提升也大幅提高了对设计人员的要求，他们现在必须掌握多种技术：高频磁学、热管理、电磁兼容性（EMC）、开关晶体管技术、印刷电路板布局、数字与模拟控制理论等。

DC/DC 转换器可提供特定电压水平，同时实现输入电路与输出电路之间的隔离。这些多功能元件能为单块电路板上的所有电子元件提供所需电压。DC/DC 转换器提供的隔离功能可确保符合安全法规，并解决干扰和故障保护等问题。此外，这些转换器还为分布式电源架构系统提供了简洁灵活的解决方案。

DC/DC 转换器模块的设计通常旨在实现以下一项或多项目标：

• 使次级负载与初级电源匹配
• 实现初级电路与次级电路之间的隔离
• 提供故障、短路或过热保护
• 简化安全、性能或 EMC 法规的合规流程

RECOM 的非稳压 DC/DC 转换器专为通用型电源隔离和电压匹配应用设计，可在 - 40°C 至 + 85°C 的宽工业温度范围内无降额运行。

RECOM 的稳压 DC/DC 转换器是工业应用的理想选择，能够承受高容性负载，即使在输入电压突然变化时也能保持稳定的输出电压，且同样可在宽温度范围内无降额工作。

DC/DC 转换器关键规格	说明
输入电压范围	转换器在工作温度范围内保持全额性能的电压区间
负载调整率	在指定输出负载范围内，输出电压的变化百分比
线路调整率	输入电压发生特定变化时，输出电压的变化百分比
输出电压精度	输出电压与标称规格的接近程度
纹波与噪声	开关周期内输入或输出端的电压跌落和高频噪声
输入输出隔离	输入电路与输出电路之间的绝缘强度
绝缘电阻	输入电路与输出电路之间的电阻值
满载效率	25°C 环境温度、100% 负载条件下，输出功率与输入功率的比值
温度漂移	环境温度每变化 1 度，输出电压相对于标称值的变化百分比
开关频率	转换器开关电路的工作频率，纹波频率通常为该频率的两倍
空载功耗	输出负载为零时，开关电路消耗的能量（会限制整体效率）
隔离电容	变压器初级绕组与次级绕组之间的寄生电容
平均无故障时间（MTBF）	根据 MIL-HDBK-217F 标准，在 25°C 及最高工作条件下计算的可靠性指标

除安全、高性价比、高能效、高可靠性和紧凑型设计外，AC/DC 转换器还必须满足关键法规要求。RECOM 的最新设计注重全负载范围（包括空载和轻载条件）的高效率，以符合这些法规。AC/DC 和 DC/DC 转换器均需满足安全、EMC 和能效标准，确保符合地区和全球法规要求。以下是主要法规要求：

在更严格的法规标准和不断提高的客户期望推动下，电源市场持续发展。为满足这些需求，新技术不断涌现。
近期趋势包括：

• 宽带隙器件：碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等材料凭借其卓越的能效、开关速度和热性能，正越来越多地取代功率应用中的硅 MOSFET 和 IGBT
• 先进拓扑：由宽带隙器件支持的图腾柱 PFC 等设计，可实现更高效率并简化电路
• 创新封装：三维封装技术将内部元件集成，以提高功率密度并改善 EMC 性能

尽管 RECOM 提供超过 30,000 种标准 DC/DC 和 AC/DC 产品，但部分应用场景仍需定制化设计。定制化范围可从轻微的规格调整到完全定制的解决方案。

RECOM 提供三个级别的定制化服务：

• 标准产品修改：对现有产品进行小幅改动，如调整输出电压或引脚配置
• 半定制设计：更实质性的改动，通常需要对安全关键元件进行重新认证
• 完全定制设计：为特定应用需求量身打造的全新产品

最简单的定制化级别是对现有标准产品进行改动。RECOM 和 PCS 产品目录中的产品常根据客户的简单需求进行修改。 常见修改包括：

• 调整输出电压（如从 5V 改为 5.7V，以适配 OR-ing 二极管）
• 更改引脚配置
• 更换封装材料
• 调整引脚长度（加长或缩短）

这些需求通常易于实现，属于标准产品修改范畴。在大多数情况下，现有的安全和 EMC 认证仍然有效，可显著降低成本和开发时间。RECOM 拥有丰富的标准产品修改经验，产品目录中可能已存在满足特定需求的修改后产品。

RECOM 的 RHV2 和 RHV3系列 DC/DC 转换器专为高压工业应用设计，如高真空系统、静电过滤器和 X 射线发生器。这些转换器具备加强绝缘，经认证可承受 20kVDC 或 12kVAC 的隔离电压。某客户需要将 RHV2-0505S/R20 用于高压应用，但要求输入 / 输出引脚间距大于标准的 30.5mm。解决方案包括：

• 取消 14 号引脚，更改次级侧引脚配置
• 将 15 号引脚重新分配为 - Vout，使爬电距离和电气间隙额外增加 2.54mm，超过 33mm

由于引脚重新分配已包含在产品的测试报告规格中，客户可保留现有的 IEC/EN 61010-1 认证（适用于测量、控制和实验室用电气设备的安全要求）。


该修改过程简单，仅需调整内部印刷电路板（PCB）和标准操作程序（SOP）。因此，修改后的标准产品按正常定价交付，无额外定制费用。

半定制设计是标准产品修改之上的下一级定制化服务。半定制与标准产品修改的关键区别在于，改动是否需要进行安全重新认证。若修改影响安全关键元件或设计要素（如变压器结构、光耦合器或 Y 电容选型、爬电距离和电气间隙），则几乎总是需要进行新的认证流程。

在许多情况下，可利用现有平台设计满足客户规格要求。这些设计具有经过验证的性能和可靠性，是完全定制解决方案的高性价比、高效率替代方案。通过利用内部库存元件、工具和制造流程，半定制设计可简化产品安全和 EMC 认证，降低风险并加快上市时间。

某客户需要一款用于内窥镜和腹腔镜手术的高频发生器。该系统支持所有常见的手术能量形式（单极、双极、超声和先进双极），是医疗市场中的独特解决方案。

该设计面临多项挑战：

• 宽输入电压范围
• 有限的安装空间
• 医疗安全认证要求
• 高可靠性要求

提出的解决方案是修改后的 RACM1200-48SAV/ENC，将标准产品的 1.2kW 负载提升至 2.2kW 峰值负载。主要设计修改包括：

• 倍增大容量电容
• 修改浪涌电流电路
• 升级开关元件
• 重新设计机械布局

这种半定制方案满足了客户的规格要求，同时保持了成本效益并最大限度地缩短了开发时间。

完全定制电源转换器是专为客户应用设计的产品，不基于任何现有产品。但设计过程并非从零开始，而是会酌情利用经过验证的构建模块和现有生产基础设施，以简化开发流程。

典型的定制设计项目遵循以下阶段：

阶段	说明
项目提案	客户提交初步需求，详细说明技术要求（如功能规格、性能需求、技术标准、物理尺寸）和商业因素（如预算、预计产量、目标成本））
项目评估	分析技术要求的可行性、可制造性和资源可用性。若现有产品无法满足需求、研发、测试和生产成本可接受，且项目产量值得投入资源，则认为项目可行行
项目计划	制定全面计划，概述项目进度、资源分配和各阶段里程碑
原型开发	制作原型以验证是否符合功能规格。规格可能在该阶段有所调整。初步批准后，生产至少 50 台试生产原型，用于统计有效的性能和应力测试
设计验证测试（DVT）和生产验证测试（PVT）	这些测试对项目成功至关重要。RECOM 提供数据手册和测试文档，以证明设计在所有预期运行和故障条件下的可靠性。测试包括： 电气和热应力测试 安全工作区测试 长期老化测试 冲击和振动测试 生产容差测试 RECOM 的自动化测试实验室配备网络化测试站，可快速评估不同环境条件下的产品性能
生产和认证计划	一旦 DVT 测试进展到足以启动设计冻结，便开始实施生产计划。包括元件采购、定制外壳订购、印刷和包装。将生产就绪的原型提交给认证机构（UL、IEC、EN、CB 报告）审批
生产	建立生产线，制造、测试并向客户交付最终产品
变更管理	产品生命周期中不可避免会出现变更。技术标准更新（通常每三年一次）或关键元件供应变化可能需要进行设计修改。这些变更通过产品变更通知（PCN）进行管理。产品生命周期（PLC）文档将保留至客户确定产品退市为止

RECOM 的完全定制设计功率范围从低于 1W 到数千瓦，奥地利、意大利、台湾和中国的工程团队可支持各种规格要求。意大利的 RECOM 电力系统（RPS）专注于大功率单相和三相 AC/DC 转换器、DC/DC 转换器、电池充电器 / 维护器、PFC 前端和逆变器，这些解决方案专为工业、医疗、能源、航空航天、铁路和军用商用现货（COTS）市场量身打造。

RPS 利用最先进的设计技术，以具有竞争力的成本提供高功率密度和高效率产品。全面的安全认证和 EMC 合规测试（内部预合规测试或第三方认证）确保最终产品符合所有法规和运行标准。

近年来，全球对甲醇和氢气作为替代燃料的兴趣激增。某客户专注于为多个行业的移动和固定应用提供燃料电池解决方案，需要一款高效率系统从燃料电池为电池充电。该系统需输出约 7000 瓦功率，同时满足输入电流跟踪（ICT）、液冷和 CAN 接口兼容性等附加要求。

客户最初的内部解决方案采用多个 PCB 模块并联运行，虽能正常工作，但效率仅为 92%，未能满足要求。此外，由于布局设计复杂且要求严苛，在管理高达 220A 电流的同时维持 ICT 功能面临巨大挑战。为解决这些问题，PCS 团队开发了 SD7008—— 一款基于并联级联、重叠升降压拓扑的非隔离式转换器。该设计可提供可调输出电压，输出电压可低于、等于或高于变化范围较大的输入电压。关键特性包括：

• • 效率超过 97%：通过先进半导体技术实现
• • 输入电流跟踪（ICT）：完全集成，满足客户规格要求
• • 液冷：采用液冷技术增强热管理
• • CAN 接口：升级至 CAN J1939 标准，兼容现代通信协议

该设计利用了现有的开关拓扑概念，实现了快速开发，同时显著提高了效率。液冷系统和更新后的接口集成高效，项目周期仅为 12-14 周，满足了客户的时间和目标价格要求。

评估非标准设计方案时，需权衡各级定制化服务的优缺点。以下表格总结了标准产品修改、半定制和完全定制设计的关键考量因素：


各级定制化服务均有独特优势和取舍。标准产品修改适合快速、高性价比的调整；半定制设计为特定需求提供更高灵活性；完全定制解决方案虽更复杂，但能为独特应用提供极致灵活性。。

除丰富的标准产品系列外，RECOM 还提供全面的定制化选项，包括完全定制、半定制和标准产品修改。凭借中国、台湾、奥地利和意大利的工程团队，RECOM 利用深厚的产品开发专业知识，打造符合特定要求的全新设计，支持高效规模化生产。

半定制设计和现有产品修改以极具竞争力的价格提供。RECOM 通过利用具有规模经济优势的自动化生产线，保持较低的修改成本。通过重用现有工具、生产设备和大量现场元件库存，RECOM 确保成本效率和快速交付。

RECOM 拥有强大的平台设计库，尤其是通过其意大利姊妹公司 PCS（专注于快速交付、大功率和完全定制解决方案）。这些平台设计可轻松适配特定应用，通常无需大量开发或重新认证成本。

RECOM 的定制化和修改服务涵盖广泛的产品类型，包括：

• 低功率至大功率 AC/DC 和 DC/DC 转换器
• 电池充电器和维护器
• AC 逆变器
• PFC 前端

这些解决方案服务于工业、医疗、能源、航空航天、移动出行和军用商用现货（COTS）等关键行业。完全定制和半定制产品均可提供所有必要的安全和 EMC 认证，满足客户规格要求。

面对众多选项，最简单的方式是联系 RECOM 工程团队，我们可以携手合作，为您的独特需求开发最优解决方案。