Jak ocenić, które podejście do wyboru i projektowania systemu zasilającego jest najlepsze?

| Technika

Zasilacz to bardzo ważna część każdego urządzenia elektronicznego, która zarazem stanowi też część, co do której często rozważa się, czy samodzielnie ją zaprojektować od zera, czy też kupić jako gotową. Optymalne rozwiązanie tej kwestii dla danego projektu zależy od bardzo wielu czynników i nie ma żadnego jednego, uniwersalnego podejścia, które znajdzie zastosowanie w każdym przypadku.

Jak ocenić, które podejście do wyboru i projektowania systemu zasilającego jest najlepsze?

Istnieją trzy podstawowe możliwości, po które można sięgnąć, przy czym w bardziej złożonych systemach można zastosować kombinację wszystkich trzech rozwiązań. Pierwsza z opcji jest najbardziej znana doświadczonym projektantom i polega na samodzielnym opracowaniu własnych obwodów zasilających. W praktyce często będą one zrealizowane poprzez użycie zarówno gotowych, scalonych sterowników mocy, jak i osobnych tranzystorów mocy i elementów pasywnych, które zapewnią wysoką stabilność napięcia zasilającego, odfiltrowując wszelkie zakłócenia.

Drugie podejście polega na zastosowaniu modułu, w którym zainstalowana jest kombinacja komponentów, jakich można byłoby użyć w samodzielnie przygotowanym projekcie, ale dostępnych w postaci jednej, fabrycznie zmontowanej płytki drukowanej (modułu). Wyprowadzone są z niej tylko napięcia wejściowe i wyjściowe. Nierzadko moduły tego typu są w pełni obudowane, tak by uodpornić je na warunki zewnętrzne oraz ograniczyć emisję zaburzeń.

W końcu, trzecie rozwiązanie polega na zakupie gotowego zasilacza, mającego postać zewnętrznego komponentu. Alternatywnie, jeśli zasilacz musi znajdować się wewnątrz obudowy całego urządzenia, można sięgnąć po model o konstrukcji "open-frame", czyli bez obudowy albo umieszczony w metalowej obudowie. Ta ostatnia z wersji często jest wybierana na potrzeby sytuacji, gdy użytkownik musi mieć dostęp do wnętrza obudowy urządzenia, gdyż pozwala to zapewnić najwyższy poziom bezpieczeństwa.

Przemyślana decyzja

Decyzja na temat tego, którą z powyższych trzech możliwości wybrać, często może zostać sprowadzona np. do tradycji. "Zawsze tak robiliśmy" – wcale nie musi być błędną odpowiedzią. Zazwyczaj stosowany od lat sposób postępowania wynika z bogatego doświadczenia i nie należy go zbyt lekko odrzucać. Niemniej w przypadku opracowywania nowych projektów warto jest na nowo rozważyć obrane podejście, gdyż wraz z postępem technologicznym zmieniają się okoliczności, które mogą sprawić, że korzystniejsze będzie sięgnięcie po inny wybór.

Dobrym przykładem są uregulowania prawne, które ciągle zmieniają się i trzeba za nimi podążać. Rządy na całym świecie stopniowo zaostrzają przepisy dotyczące bezpieczeństwa systemów zasilających i wymogi względem poboru energii. Przykładowo, dawniej mechanizmy uzyskiwania certyfikatów dla zasilaczy użytkowanych w systemach medycznych polegały na konieczności trzymania się określonych zasad podczas projektowania. Z czasem nacisk przesunął się na ocenianie ryzyka, poparte adekwatnymi dowodami. Podobnie jest z projektami obwodów zasilających urządzenia konsumenckie, które jeszcze pięć lat temu bez problemu spełniały wymagania. Obecnie pobierają one zbyt wiele energii w trybie spoczynku, by otrzymały nowe certyfikaty. Aktualnie obowiązujące przepisy wymagają bardziej wyrafinowanych mechanizmów i technik sterowania po stronie pierwotnej sekcji prostownika, na których mogą nie znać się nawet bardzo doświadczeni projektanci systemów zasilających.

Jeśli nowy produkt wymaga znaczących zmian w obwodach zasilających, może okazać się, że zespół doświadczony w samodzielnym projektowaniu sekcji zasilającej powinien sięgnąć po konfigurowalny moduł lub zupełnie gotowy zasilacz. Producenci takich zewnętrznych lub w pełni obudowanych zasilaczy zazwyczaj dostarczają odpowiednie certyfikaty, spełniające wymagania stosownych standardów. Moduły też zazwyczaj są projektowane tak, by były zgodne ze standardami, ale i tak końcowy produkt, w którym są stosowane, będzie wymagał przejścia przez proces certyfikacji.

Ile czasu jest do dyspozycji?

Kwestia czasu, potrzebnego na wprowadzenie produktu na rynek, również może prowadzić do podobnych konkluzji. Wybór gotowego zasilacza zazwyczaj spowoduje skrócenie czasu opracowania kompletnego produktu, o ile tylko znajdzie się taki model, który dobrze wpasuje się do wnętrza obudowy. Natomiast specjalnie zaprojektowany zasilacz, ale przygotowany i wyprodukowany przez zewnętrznego dostawcę, będzie wymagał dodatkowego czasu na jego opracowanie, dostrojenie i zbudowanie, więc nie wpłynie na oszczędność czasu. Tam, gdzie liczy się dopasowanie podzespołu do specyficznych wymagań, moduły dają większą elastyczność działania, ale wydłużają czas projektowania i integracji, szczególnie w odniesieniu do czasu certyfikacji. Niemniej, w przypadku większości zespołów, szybsze będzie użycie modułów lub gotowych zasilaczy niż tworzenie całkowicie własnego rozwiązania.

Jeśli do kluczowych czynników należy też rozmiar, to właśnie samodzielnie przygotowany projekt, opracowany specjalnie na potrzebny danego urządzenia, będzie stanowił najlepsze rozwiązanie. Projektant, który zna wymagania, jakie stawia się przed tworzonym urządzeniem, może zbudować taką jednostkę zasilającą, która dobrze wpasuje się w układ pozostałych płytek. W ten sposób może nie powstanie rozwiązanie o najlepszym stosunku watów w przeliczeniu na centymetr sześcienny, ale taki system będzie świetnie dopasowany do pozostałych elementów, minimalizując zajmowaną przestrzeń, bez zakłócania przepływu powietrza lub chłodzenia. Moduły są często projektowane pod kątem małego rozmiaru i niewielkiego kosztu. Nierzadko korzystają z nowoczesnych obudów, by zminimalizować ich całkowitą objętość fizyczną. Dzięki temu mogą stanowić świetny wybór, gdy akurat dobrze dopasowują się do wymogów całego urządzenia.

Rozwiązania katalogowe kontra indywidualne

Zdarzają się też sytuacje, w których same moduły są bardzo kompaktowe w budowie, ale specyficzna ich kombinacja, potrzebna w danym urządzeniu, sprawia, że nie są one w pełni wykorzystane – czy to poprzez pozostawienie nieużywanych wyprowadzeń, czy też ze względu na dostępność zbyt dużej, niepotrzebnej mocy. Prowadzi to do nadmiernego zwiększenia całkowitego rozmiaru i kosztu projektowanego urządzenia. Trzeba jednak wiedzieć, że sytuacja na rynku modułów ciągle się zmienia, gdyż wciąż pojawiają się nowe modele. Dzięki temu można teraz łatwiej niż kiedykolwiek dobierać kombinacje modułów, które będą gładko wpasowywać się w wymogi danej aplikacji. Niemniej, pomimo rosnącej liczby dostępnych modułów, jeśli docelowe urządzenie ma jakieś nietypowe wymagania, zespół inżynierski może musieć pójść na kompromis w odniesieniu do rozmiaru albo też, oprócz zaimplementowania modułów, opracować również fragmenty własnych obwodów zasilających, dostarczających specyficznych napięć.

Podobnie jak producenci modułów, tak i dostawcy gotowych zasilaczy mogą skorzystać z zalet produkcji wielkoseryjnej i zoptymalizowanych technologii produkcyjnych, by tworzyć wysoce kompaktowe rozwiązania. W efekcie oferowane przez nich produkty nierzadko cechują się bardzo dobrymi parametrami w postaci dużej liczby watów w przeliczeniu na centymetr sześcienny. Jednakże taki gotowy zasilacz często będzie nieco większy, niż potrzeba w praktyce, a to po to, by mógł zawsze utrzymywać takie parametry, jakie ma podane w katalogu. Oznacza to, że musi być przygotowany na stałe działanie nawet dla maksymalnych, chwilowych prądów, jakie przewiduje specyfika pracy tworzonego urządzenia. W rezultacie może on być większy, niż naprawdę potrzeba.

Innym aspektem, który może stanowić ważne kryterium, szczególnie dla zespołów pracujących nad seriami produktowymi, jest elastyczność wybranego rozwiązania. Wtedy to najczęściej okazuje się, że sięgnięcie po moduły jest najbardziej sensowne. Wynika to z faktu, że można je całkiem łatwo wymieniać na inne, podobne modele, bez przeprojektowywania otaczających je obwodów. Natomiast praktyka pokazuje, że wybranie w pełni gotowego zasilacza, jaki będzie dostępny zarówno w mniejszych, jak i większych wariantach, wiąże się z ryzykiem, że nie będzie on pasować do pierwotnie zaplanowanej dla niego przestrzeni. Natomiast sięgnięcie po samodzielnie zaprojektowane obwody będzie się wiązało z dodatkowym czasem, potrzebnym zespołowi na osobne opracowanie każdego wariantu urządzenia, co zapewne mocno wydłuży proces powstawania finalnego produktu.

Zawsze pozostaje też kwestia ceny

Rozważając koszty, zazwyczaj od razu łatwo widzi się różnicę w cenie gotowego zasilacza, a komponentów składających się niego. Taki gotowy produkt będzie generalnie droższy niż projekt całkowicie samodzielnie przygotowany lub oparty o moduły. Niemniej sięgnięcie po gotowy zasilacz będzie wiązało się z praktycznie zerowymi kosztami projektowania tej części urządzenia, co może mieć ogromne znaczenie dla produktów, jakie mają być wytwarzanie w krótkich seriach. Oczywiście, jeśli produkcja ma być wielkoseryjna, a więc to koszt wytworzenia każdej pojedynczej sztuki urządzenia będzie miał kluczowe znaczenie, najkorzystniej wypadnie samodzielne opracowanie obwodów zasilających, nawet pomimo że wiąże się ono z największymi kosztami projektowania.

Wsparcie dla projektantów

Choć samodzielnie opracowane obwody wymagają poświęcenia największej ilości czasu, producenci przygotowali szereg pomocnych narzędzi, które w istotnym stopniu upraszczają wybór i zaprojektowanie płytki drukowanej, adekwatnej do potrzeb zasilaczy. Przykładem może być program EE-Sim DC-DC Design Tool, stworzony przez firmę Maxim Integrated. Poprzez intuicyjne formularze inżynier może wprowadzić swoje specyficzne wymagania i uzyskać gotowy schemat obwodu, a także dostać wyniki symulacji oraz listę komponentów potrzebnych do wdrożenia takiego rozwiązania w życie.

Warto też zwrócić uwagę, że granice pomiędzy poszczególnymi z opisanych podejść coraz bardziej się zacierają. Dostawcy, tacy jak firma TDK-Lambda, oferują moduły, które cechują się wygodą użytkowania typową dla gotowych zasilaczy, przy jednoczesnej elastyczności i parametrach wysoce dopasowanych modułów. Z drugiej strony oferty rynkowej znajdują się dostawcy komponentów do zasilania, którzy korzystają z możliwości integracji złożonych systemów zasilających, jakie wcześniej spotykane były tylko w gotowych przetwornicach DC/DC.

W rezultacie zespół projektowy ma teraz naprawdę duży wybór do rozważenia, gdy poszukuje idealnego systemu zasilającego do swojego projektu. Każda tworzona aplikacja musi być przeanalizowana osobno, z uwzględnieniem jej specyfiki oraz powyżej opisanych kryteriów. Dokładne przestudiowanie wymagań pozwoli odkryć, gdzie na krzywej od całkowicie gotowego zasilacza do w pełni samodzielnie zaprojektowanego obwodu zasilającego znajduje się optymalne rozwiązanie dla tworzonej aplikacji.

Cliff Ortmeyer, Global Head of Technical Marketing w firmie Farnell

Zobacz również