电源项目中进行定制设计的注意事项

电源 市场复杂多变。需要采用各种各样的设计方法来满足不同应用、不断提高的能效标准以及一系列适用法规的要求。

尽管 RECOM提供了丰富的标准产品，但有时应用提出了更高要求，因此需要 定制化解决方案。

几十年前，设计电源是一项相对简单的任务。电源采用线性设计，典型电源的前端为变压器，电流经全波桥式整流器馈送到大容量滤波电容器中。

线性设计简单可靠，如果非稳压电源可以满足您的要求，也具有相当高的效率。然而，如果增加稳压功能，效率就会直线下降。众所周知，线性稳压器通过降低经由导通器件（功率晶体管）的输出电压来控制输出电压，这会产生大量的热量，并导致器件效率低至 60%。

开关电源拓扑结构可以消除这些不利因素。将输入的直流电压斩波为高频开关电压，并利用该电压产生所需的输出电压和电流，使功率晶体管在大部分时间都处于有效的“开”或“关”状态，将功率损耗降至最低。

开关电源拓扑结构极其丰富；新的开关拓扑结构不断涌现，对于特定应用，每种拓扑结构都有各自的优缺点。现在常用的拓扑结构包括： 升压、降压、降压-升压, Cuk、反激、正激、全桥、半桥、推挽、SEPIC、同步降压、双开关正激、温伯格和 zeta 拓扑结构。

不仅如此，严格的法规要求在大多数 AC-DC 设计. 中增加前置功率因数校正 (PFC) 级。随着器件效率的增加，设计的复杂性也在增加，从早期的无源 PFC 到传统的升压转换器，以及最新的图腾柱拓扑结构。

此外，功率器件数量也在激增：双极晶体管早已过时，取而代之的是各种 MOSFET 技术，碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN).

最新的开关电源在 MHz 频率级下工作，并且可以实现远高于 90% 的效率。性能提升大幅增加了设计者的工作难度，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、数字和模拟控制理论等。

DC/DC 转换器 在输入和输出之间提供特定的电压和隔离。它们的应用范围广泛，通过单板提供电子组件所需的所有电压。在 DC/DC 转换器内实现隔离，以遵守适用的安全法规，并解决干扰和故障保护等问题。DC/DC 转换器还为分布式电源架构系统提供了灵活而干净的解决方案。

DC/DC 转换器模块经过专门设计，可满足以下一个或多个要求：

• 将辅助负载与主电源匹配
• 提供初级电路和次级电路之间的隔离
• 针对故障、短路或过热提供保护
• 轻松满足安全、性能或 EMC 法规要求。

RECOM 的 非稳压型 DC/DC 转换器 通常用于通用电源隔离和电压应用，具有 -40°C 至 +85°C 的工业工作温度范围，无降额。

RECOM 的 稳压型 DC/DC 转换器 专为工业应用而设计，可以驱动高电容负载，在宽温度范围内工作，无降额。当输入电压突然变化时，它们可以提供稳定的输出电压。

DC/DC 转换器的关键规格如下：

• 输入电压范围，在该范围内，转换器在满载条件下在工作温度范围内保持正常性能。
• 负载调节：输出电压的变化超过输出负载的指定变化，通常为标称输出电压的百分比
• 线路调节：输出电压相对于输入电压变化的百分比。
• 输出电压精度：输出电压与指定标称值的接近程度。
• 输入和输出纹波和噪声：开关周期之间输入或输出处的电压降落量，包括由转换器开关尖峰引起的高频噪声。
• 输入到输出隔离：输入和输出电路之间的介电击穿强度测试
• 绝缘电阻：输入和输出电路之间的电阻。
• 满载时的效率：当零件在 25°C 时的 100% 负载条件下运行时，器件输出的功率与向器件输入的功率之比。
• 温度漂移：环境温度每变化一度，电压相对于标称值的变化百分比。该参数与其他几个温度参数有关，主要用于描述内部组件漂移。
• 开关频率：DC-DC 转换器内部开关电路的标称工作频率。由于驱动器电路的全波整流和推挽配置，在输入和输出引脚上观察到的纹波通常是开关频率的两倍。
• 空载功耗：开关电路功耗度量；在零输出负载的情况下确定，是器件总效率的一个限制因素。
• 隔离电容：输入到输出耦合电容。实际上，这不是电容器，而是变压器初级和次级绕组之间的寄生电容耦合。
• 平均无故障时间 (MTBF)：RECOM 使用 MIL-HDBK-217F 标准计算在 +25°C 以及最高工作温度和 100% 负载条件下的 MTBF 值。

AC/DC 转换器 需要具有安全、经济实惠、节能、可靠的特性，并且尺寸更小。新的 RECOM AC/DC 设计注重空载和轻载效率性能，以满足最新监管要求；AC/DC 转换器必须在整个负载范围内高效运行：从空载到轻负载，再到满负载运行。

AC/DC 和 DC/DC 转换器法规包括其操作的多个方面。

电源产生并处理潜在的致命电压和电流，因此获得适当的安全认证是电源设计的关键组成部分。

卓越的电磁兼容性 (EMC) 性能是开关转换器的一项关键要求，以确保任何高频噪声不会影响附近的组件。在欧洲，EN5022 标准同时对传导发射和辐射发射作出规定。EN5022 对 A 类设备（商业、工业或企业应用）和 B 类设备（家庭应用）设定了不同的标准。美国的等效标准是 FCC 第 15 部分。

为了更好地利用自然资源和减少浪费，世界各国政府都在积极努力，正在实施能效法规。对于外部电源，这些法规规定了在一系列操作条件下的电源性能水平，包括空载功耗和各种负载水平下的效率。

美国、中国、欧盟、澳大利亚、加拿大和其他国家都制定了相关法规，通常遵循美国能源部 (DoE) 制定的框架。美国能源部的六级标准是现行标准。

还有许多其他效率标准。例如，80 PLUS 计划被广泛用于对 PC 和服务器中使用的电源进行评级。共有六个级别。80 PLUS 钛电源是最高等级，在低至 10% 负载时的额定效率为 90%，在 20% 负载时为 92%，在 50% 负载时为 94%，在 100% 负载时为 90%。80 PLUS 认证还对电源的功率因数进行评级：80 PLUS 钛要求在 20% 的负载下达到 0.95 的功率因数校正 (PFC)。

许多行业要求电源设计满足上述要求以外的附加要求。

例如，医疗级电源必须符合 ES/IEC/EN 60601-1 第 3 版的要求，该标准比商业或工业设备的指南更加严苛。医疗级电源需要满足更高的安全标准，需要具备更低的电磁干扰，即需要符合电磁兼容性 (EMC) 要求。

电源市场不断变化。监管标准不断提高，客户的期望也在不断提高。设计必须适应这些新的需求，因此新技术层出不穷。

电源设计领域最近涌现出一些新兴趋势，包括：硅 MOSFET 和 IGBT 逐渐被宽带隙器件（由碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等化合物半导体制成）所取代，这些化合物半导体在电源应用中比硅具有显著优势；通过 WBG 器件实现图腾柱 PFC 等新型拓扑结构，以及新的封装技术，尤其是内部组件的三维封装，可以提高功率密度和改进 EMC 性能。

RECOM 提供超过 25000 个标准 DC/DC 和 AC/DC 产品组合，尽管有大量现成的产品可供使用，但特定的应用可能需要更多功能，从现有电源规格的微小变化到独一无二的设计。因此需要采用 定制化设计。

定制化设计分为三个级别：改良标准产品、半定制设计和全定制设计。

最低级别的定制是采用现有标准产品并以某种方式对其进行更改。通常可以修改 RECOM 和 PCS 目录产品，以适应简单的客户更改请求。此类修改的示例可能包括：

• 修改输出电压，将标准电压 5V 修改为 5.7V，以允许在输出中添加 O 形环二极管
• 简单修改引脚
• 修改封装材料
• 延长或缩短引脚长度

此类请求易于实现，可以作为改良标准产品。在许多案例中，现有安全认证和 EMC 仍然有效，从而节省大量成本和时间。过去，RECOM 制造了许多“改良标准产品”，因此某个产品可能已经可以满足特定的要求。

RECOM 的 RHV2 和 RHV3 是一系列标准 DC/DC 转换器，具有经认证可承受 20 kVDC 或 12 kVAC 隔离电压的增强绝缘。应用包括高压工业应用，如硬真空系统、防静电滤波器和 x 射线发生器。

一位客户要求在高压应用中采用 RHV2-0505S/R20，该应用需要的输入/输出引脚间距大于标准产品提供的 30.5 mm。解决方案是修改二次侧引出线，取消引脚 14，并将引脚 15 重新分配为 –Vout，以将爬电距离和间隙距离进一步增加 2.54 mm，达到 33 mm 以上（见下文）。

由于我们在测试报告规范中包含了引脚重新分配选项，因此客户仍然可以使用我们的现有 IEC/EN 61010-1 认证（供测量、控制和实验室使用的电气设备的安全要求）。



修改相对简单，只需要更改内部 PCB 和标准操作程序 (SOP)，因此改良标准零件以正常成本价提供，不针对这项客户请求收取额外费用。

半定制设计是定制的下一个阶段。半定制和改良标准功率转换器之间没有明确的界定，因此一个参考标准是此更改是否需要重新进行安全认证。

影响安全关键组件或隔离的修改 - 如变压器结构、光耦或 Y 型电容器的选型、爬电距离或间隙距离 - 几乎肯定都需要新的认证过程。

通常，可使用一个现有“平台化”设计来满足客户规范，该设计具有经现场验证的性能和可靠性。与完全定制相比，这种方法更加经济，而且简化了产品安全保证和 EMC 认证，降低了风险，加快了上市时间。可使用现有内部库存组件、工具和制造流程，生产出经济型产品。

客户生产一款用于内窥镜和腹腔镜手术的高频发生器。该系统可以输出手术应用中各种常见形式的能量（单极、双极、超声波和高级双极），深受 医疗市场 青睐。

本设计的特殊要求包括：

• 宽范围输入
• 空间有限
• 医疗批准
• 高可靠性

我们提出的解决方案是改良款 RACM1200-48SAV/ENC，它可以处理 2.2 kW 峰值负载，而标准产品的峰值负载为 1.2 kW。需要进行几项设计修改，包括将大容量电容器的容量增加一倍、更改浪涌电路和更换升级后的开关组件。此外，还必须更改机械设计。

全定制功率转换器有别于改良标准或半定制设计，因为它并非基于现有产品，而是专门为所需应用而进行全新设计。设计团队通常并不会完全从零开始；会根据需要使用经过验证和测试的构建块以及现有生产基础设施。



图 2：显示了典型定制设计项目的各个阶段。这些阶段分别是：

• 项目建议书：客户的初步要求，详细说明定制功率转换器的技术要求（功能规格、性能要求、技术标准、物理尺寸）以及商业因素（预算、预期数量、目标成本等）
• 项目评估：技术要求分析（适用性、可制造性、资源可用性等）。这个项目可行吗？定制功率转换器项目可行的典型标准是：现有产品无法满足需求，成本（研发、测试和生产）获合作双方认可，并且项目量可以验证投资的合理性。
• 项目计划：项目计划详细说明了项目进度、资源分配和项目每个阶段需要达到的里程碑。
• 原型：将建造原型以验证是否符合功能规范。在这个阶段规范会频繁变动。在初始原型获得批准后，下一阶段是生产预生产原型（至少 50 件），以便执行有效的性能验证和压力测试。
• DVT/PVT：设计验证测试和生产验证测试对项目的成功至关重要。RECOM 需要提供数据表和测试文档，使客户确信定制设计符合目的，并在所有可预见的操作和故障条件下可靠运行。RECOM 拥有一个自动化测试实验室以及多个联网的测试站，可以在各种环境条件下快速测试和评估电气性能。可靠性测试包括电气和热应力测试、安全操作区域测试、长期浸泡测试、冲击和振动测试以及生产公差测试。
• 生产和认证计划：只要 DVT 测试进展顺利，达到设计冻结的标准，就可以开始生产计划，包括从一级和二级供应商购买必要的组件，订购定制外壳、印刷和封装。准备生产的原型可以发送给机构进行认证（UL、IEC、EN、CB 报告等）。
• 生产：将建立一条装配线来制造和测试产品并将最终产品运送给客户。
• 变更管理：变更不可避免，在项目的整个生命周期内，同样需要管理变更。技术标准平均每三年更新一次，有时需要对定制设计进行修改，以符合任何新法规。关于关键组件可用性的变更，可能需要通知客户并获得客户的同意，并附上产品变更通知 (PCN)。将在产品的整个使用寿命内维护产品生命周期 (PLC) 文档，直到客户做出最终的结束生命周期决定。

根据具体的规格，奥地利、意大利、中国台湾和中国的工程团队可以实现从低于一瓦到几千瓦的全定制设计。PCS 是 RECOM 设在意大利的一家子公司，在定制大功率单相和三相 AC/DC、DC/DC、电池充电器/调节器、PFC 前端和逆变器方面，拥有丰富的专业经验。可以对上述产品进行定制设计，满足预期市场需求，涵盖工业、医疗、能源、航空航天、铁路和军用商用现货。我们使用最先进的设计技术，以最低成本提高功率密度和效率。可以安排安全认证以满足所有通用标准。通过使用我们的内部测试室进行合规前测试，可以实现 EMC 合规性，还可以安排第三方 EMC 认证。

为了寻找替代能源，过去几年里甲醇或氢气成为全球关注的焦点。该客户为世界各地多个行业的移动和固定应用提供燃料电池解决方案。他们需要一个系统，能够以最高效率和 7000 瓦左右的功率通过燃料电池为电池充电。其他要求包括输入电流跟踪 (ICT)、液体冷却和 CAN 接口。

客户自行定制的一套包含多个 PCB 模块并行操作的设计解决方案虽然可行，但其大约 92% 的效率不满足要求，并且需要通过极其复杂的布局设计来处理高达 220A 的电流，并执行 ICT。

我们提出的解决方案是 PCS 型号 SD7008。这种非隔离型转换器概念基于并联级联、重叠的降压-升压拓扑结构，该拓扑结构产生可调节的输出电压（低于、等于或高于剧烈变化的输入电压）。该解决方案可实现 >97% 的效率，实现所需的输入电流跟踪功能以及客户要求的液体冷却功能和 CAN 接口。

基于现有开关拓扑结构概念，PCS 可以在极短的时间内通过使用最新一代半导体并搭配液体冷却器生成所需设计，而且器件的效率更高。该接口将“升级”为 CAN J1939 标准接口。项目时间表约为 12-14 周，满足客户的时间表和目标价格。

在考虑非标准设计时，每个选项都有优缺点，如下表所示。

除了丰富的标准产品外，RECOM 还生产全定制、半定制和改良标准产品。我们在中国、中国台湾、奥地利和意大利的工程团队，在产品开发方面拥有丰富的经验，可以从 0 开始设计新产品以增加产量。

对现有产品进行半定制设计和修改具有极其优惠的价格。修改成本非常低，因为 RECOM 的自动化生产线通过各种方法实现规模经济效益，例如通过重复使用现有工具和生产设备，并可利用我们广泛的现场组件库存。

通过我们的意大利子公司 PCS，还可以调用 RECOM 的一个广泛的平台设计库。PCS 公司可以快速交付大功率和全定制解决方案。这些经过验证的平台设计通常可以轻松针对其他应用进行改造，而不一定产生大量的开发或认证成本。

RECOM 的定制和标准产品修改服务包括低功率到高功率 AC/DC 和 DC/DC、电池充电器和调节器、交流逆变器、PFC 前端等。涵盖了所有主要应用领域，包括工业、医疗、能源、航空航天、移动和军用商用现货。根据客户要求，全定制和半定制产品还可以提供必要的安全认证和 EMC 认证。

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