Netzteil entwickeln oder kaufen? Entscheiden Sie nicht nur aufgrund von Stücklistenkosten

22. Juni 2017 von Aaron Yarnell

Netzteil entwickeln oder kaufen? Entscheiden Sie nicht nur aufgrund von Stücklistenkosten

Kosten- und Größenreduzierung ist stets das Hauptanliegen für OEM-Design-Teams. Durch die Fokussierung auf die Stückliste (BOM) kann es so scheinen, als ob man durch die interne Entwicklung von Komponenten wie Netzteilen Kosteneinsparungen erzielen könnte. Immerhin kann eine fertige Lösung einiges mehr kosten. Wenn das Endprodukt in hohen Stückzahlen hergestellt werden soll, kann der Fall überzeugend erscheinen.

Anderseits ist es nicht einfach, ein Netzteil so klein wie möglich zu gestalten. Möglicherweise sind dazu Kenntnisse außerhalb der Hauptkompetenzen des eigenen Teams nötig und es können teurere PCB-Baugruppen erforderlich sein, die für das restliche Produkt nicht benötigt werden (z. B. zusätzliche Beschichtungen und schwereres Kupfer).

Andere Aspekte einer internen Designabwicklung und seiner unabhängigen Unterstützung können noch komplizierter und teurer werden. Es können spezielle Geräte benötigt werden, wie z. B. hochwertige elektronische Lasten für Testzwecke. Das Designteam muss auch die Einhaltung von Sicherheitsspezifikationen wie IEC 60950-1 und sämtlichen marktspezifischen Spezifikationen wie IEC 60601-1 für medizinische Geräte sicherstellen. Die Power Sources Manufacturers Association (PSMA), der CUI als Mitglied angehört, hat die Safety & Compliance Database (Sicherheits- und Compliance-Datenbank) zur Unterstützung in diesem Bereich veröffentlicht und CUI hat einen herunterladbaren Leitfaden mit Informationen über zutreffende Sicherheitsnormen, Agenturen und Marken veröffentlicht. Die Effizienz des Netzteils kann auch stark beeinflussen, ob das Produkt Ökodesign-Vorschriften erfüllt, wie z. B. die EU-Mindestanforderungen für Produkte wie LED-Beleuchtung, Weißwaren und Set-Top-Boxen. Darüber hinaus benötigen die Kunden Zuverlässigkeitsangaben, und wenn eine Produktgarantie angeboten wird, sollte diese sich auf die Netzteilkomponenten erstrecken.

Keine einfache Aufgabe

Wenn das System nur ein kleines AC/DC-Netzteil oder einen kleinen DC/DC-Wandler zur Bereitstellung einer geringen Wattleistung benötigt, kann das Netzteil direkt auf die Systemplatine aufgebaut werden, wo es flächenmäßig mit dem Rest der Systemschaltung konkurrieren muss. Komponenten wie der Transformator und die Elektrolytkondensatoren sind relativ groß und sperrig und können schwer zu zentralisieren sein. Wenn beabsichtigt ist, die Leiterplatte als Ganzes nur auf einer Seite mit Komponenten zu bestücken, neigt eine diskrete Energielösung dazu, sich auszubreiten und wertvolle Leiterplattenfläche zu belegen.

Selbstverständlich wirkt sich das Platinenlayout nicht nur auf die Größe des daraus resultierenden Netzteils aus, ebenso entscheidend sind auch die Minimierung hochfrequenter Schaltgeräusche, die Gewährleistung einer ordnungsgemäßen thermischen Verwaltung und die Erfüllung der geltenden Sicherheitsanforderungen, beispielsweise für Isolationsabstände.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, kann ein Referenzdesign eines ausgewählten Netzteilanbieters eine schnelle und zuverlässige Lösung versprechen. Netzteilanbieter verstehen sich darauf, eine generische Stückliste von Materialien zusammenzustellen und Empfehlungen und Best Practices für Designs vorzulegen, um die grundlegenden Anforderungen einer breiten Palette von Systemen zu decken. Allerdings ist jede Anwendung unterschiedlich und der designierte Netzteildesigner des OEM-Teams wird wahrscheinlich vom Referenzdesign abweichen müssen, um Leistungsanforderungen, Platzbeschränkungen sowie thermische bzw. EMI-Anforderungen zu erfüllen, die der jeweiligen Anwendung entsprechen. Dies kann zu zusätzlichem Zeitaufwand und Kosten für das Projekt führen, und das daraus resultierende diskrete Netzteil wird möglicherweise immer noch nicht so gut wie erwartet funktionieren.

Beispielsweise kann eine neue Anwendung lediglich eine zweilagige Leiterplatte mit einer Unze Kupfer benötigen, aber das gewählte Referenzdesign für die diskrete Energielösung empfiehlt hingegen 4 Schichten von 2 Unzen Kupfer. Es besteht die Möglichkeit, die PCB-Schichten und das Kupfergewicht der gesamten Applikationsplatte zu verdoppeln, aber die führt zu erheblichen Kosten für das Design. Dazu kommt noch der zusätzliche Zeitaufwand, um das vom Hersteller empfohlene Layout der Versorgungslagen und Leiterbahnen für die diskreten Komponenten sorgfältig zu reproduzieren.

Vorteile eines Off-the-Shelf-Designs

Im Gegensatz dazu bieten vorgefertigte Energieverwaltungsmodule Technikern das Beste aus beiden Welten. Sie können das System-PCB mit der geringsten Anzahl von Versorgungslagen und der geringsten Kupfermenge entwerfen, während sie das Energieverwaltungsmodul zur Vereinfachung und Optimierung der Stromwandlung einsetzen. Anstatt Zeit damit zu verbringen, Produkte und Referenzdesigns von verschiedenen Anbietern diskreter Bauteile zu evaluieren, Versorgungslagen zu gestalten, die Rückkopplungsschleife fest und geräuscharm zu halten und sicherzustellen, dass keine Leistungsschalter in der Nähe empfindlicher analoger Schaltkreise positioniert sind, können Techniker einfach ein vorgefertigtes Energieverwaltungsmodul passender Größe wählen, das für minimalen Platzbedarf optimiert wurde, so dass sie ihre Anstrengungen auf andere designspezifische Aufgaben konzentrieren können.

Ein Beispiel für die von diskreten und modularen Energieverwaltungslösungen belegte Leiterplattenfläche
Ein Beispiel für die von diskreten und modularen Energieverwaltungslösungen belegte Leiterplattenfläche

Im Gegensatz zu einem kundenspezifischen, intern konzipierten Netzteil sind gebrauchsfertige Module bereits geprüft, qualifiziert und häufig nach internationalen Sicherheits- und EMI-Standards vorzertifiziert. Durch die Auswahl eines vorzertifizierten Energieverwaltungsmoduls kann der Zertifizierungsprozess der Endanwendung oft beschleunigt werden. Zuverlässigkeitsdaten sind ebenso leicht zugänglich und das Modul kann als Garantieprodukt die Gesamtkosten für den Hersteller von Originalteilen reduzieren, um seine eigenen Kunden zu unterstützen.

Ein Beispiel für ein Board-Mount-Modul, das gebrauchsfertig ist und OEMs Entwicklungszeit sowie erhebliche Engineering- und Support-Kosten sparen kann, ist die CUI-Serie PBO-5 von 5-Watt-AC-DC-Wandlern. Diese SIP-Module (Single Inline Package) maximieren die Platzeinsparung auf der Leiterplatte, sie sind UL- und CE-zertifiziert und bieten Sicherheitsfunktionen wie eine 3-kVac-Isolationsspannung sowie einen Kurzschluss- und Überstromschutz.

Die CUI-5-W-PBO-Serie von AC/DC-Energieverwaltungsmodulen nutzt die Z-Achse und reduziert den Raumbedarf auf der Leiterplatte erheblich
Die CUI-5-W-PBO-Serie von AC/DC-Energieverwaltungsmodulen nutzt die Z-Achse und reduziert den Raumbedarf auf der Leiterplatte erheblich

Obwohl es sicher Situationen gibt, in denen die geringe Komplexität des Stromversorgungsdesigns in Kombination mit hochvolumiger Planung das Design einer diskreten Stromversorgungskomponente rechtfertigen kann, greifen Techniker häufiger auf vorkonfigurierte Energieverwaltungsmodul-Lösungen zu, wenn Leistung, Zuverlässigkeit, Produkteinführungszeit, Sicherheit, Zertifizierung und Unterstützung kritische Größen darstellen. Ja, der Entwurf von Netzteilen für Ihre Produkte im eigenen Haus kann die Stücklisten-Kosten geringfügig reduzieren, möglicherweise aber auf Kosten erhöhter Design-Risiken und zusätzlicher Entwicklungszeit.

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Aaron Yarnell

Aaron Yarnell

Field Applications Engineering Manager

Als Elektrokonstrukteur besitzt Aaron Yarnell nahezu 15 Jahre Erfahrung in der Elektronikindustrie, die eine breite Palette an Produkttechnologien umfasst, mit Kompetenzen in Produktdesign und -entwicklung bis hin zur Unterstützung für Feldanwendungen, Fertigung, technische Dokumentation und vieles mehr. Mit seinem MBA-Abschluss verfügt Aaron auch über ein tieferes Verständnis der Geschäftsaspekte, die mit jeder seiner Aufgaben verbunden sind. Zusätzlich zu seinen professionellen Auszeichnungen, genießt Aaron den Besuch der Oregon-Küste, verbringt Zeit mit seiner Familie und Freunden, verfolgt große Träume und arbeitet an Projekten, die Spaß machen.

 
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