LD800HSE 3BDH000320R0101 电源成本分析:分立、模块化、完整

实现所需系统性能的一个重要因素是选择最佳电源解决方案。开发人员可以从广泛的选项中进行选择，无论是他们自己的分立设计，使用DC/DC模块和一些外部元件的模块化方法，还是完整的现成解决方案。由于市场上有大量转换器和电源，大多数情况下都能找到解决方案，半定制或完全定制设计的需求正在下降。

　　根据经验，系统总材料成本的5%至10%花费在电源上。在成本分析中，分立电源的元件似乎是一般元件中的小项，而DC/DC转换器或完整的电源总是在列表的顶部。这是否意味着离散解决方案总是最具成本效益的?本文将探讨每种解决方案的优缺点，以及为什么在大多数情况下，模块化或完整的解决方案方法更具成本效益。

　　离散设计

　　通过开发完全定制的解决方案，可以实现最大程度的灵活性，此外还提供各种适用于不同拓扑结构的控制器芯片和变压器，以及参考设计。

　　乍一看，开发一个电源解决方案似乎并不太困难，在一定程度上，对于非隔离、低功耗转换器也是如此。然而，设计更高功率或隔离式转换器成为真正的挑战，因为它需要深入了解电力电子、高频开关、热管理，EMC行为和安全认证。许多公司的开发部门不再拥有必要的技术和资源。

　　整个设计过程，包括鉴定测试和安全加电磁干扰审批可能需要几个月的时间，并且会产生很高的NRE总成本。即使是规格上的微小变化也可能需要完全的重新设计。分立式解决方案是器件的可行选择，在这种情况下，最低的元件成本至关重要，而且大量开发成本可以分期偿还。

　　模块化解决方案

　　越来越多的设计人员选择基于DC/ DC转换器模块的解决方案。模块化方法不需要深入的电力电子知识，允许非常灵活的设计，同时节省开发和安全认证的时间和资金。设计可以在几周甚至几天内完成，最后一刻的更改通常可以通过简单地更改或添加模块来快速实现。安全认证和EMC合规性大大简化，因为这些模块获得了全球认证，符合特定市场标准，并具有内置滤波器和保护电路。对于设计、认证和特定的EMI要求，制造商提供全面的文档以及易于实施的参考设计(图1)。

　　图一。P-DUKE的全面文献使模块化解决方案的设计更加容易。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　在……里铁路市场模块化方法经常使用，因为它能够以低总成本实现高灵活性，并且模块能够满足机车车辆应用中的极端环境条件。在本例中，需要一个隔离的5 V/5 W电源电压，该电压由列车上的不同标称电压产生。解决方案还必须符合各种铁路标准。该系统在逐个项目的基础上以100-300个单位的数量出售，年总数量低于1500个系统。这些数量与自己的分立设计的高成本不相称。他们需要模块化的解决方案。一大挑战是列车应用中的标称电压数量(图2)。

　　图二。具有相应公差的列车中的不同标称电压。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　考虑到所有标称电压及其容差，电源电压范围从14 V到160 V。覆盖整个范围的转换器是可用的，但为了保持DC/DC模块系列的尺寸尽可能小，许多制造商将电压分为两个范围(9-75 V和14-160 V)或三个范围(9-36V、18-75V和40-160V)。通常，系统是为特定的列车项目生产的，具有固定的电压，适当的转换器可以安装在PCB上。

　　选择P-DUKE的RDL06是因为它在尺寸为21.8 mm x 9.6 mm x 11.2 mm的SIP-8封装中提供高达6 W的功率，同时提供必要的安全认证和隔离电压。接近设计阶段结束时，功率要求增加到8.5 W，但设计工程师能够在同一封装中使用10 W版本的转换器。这是一种即插即用的解决方案，不需要改变任何PCB布局(图3)。

　　图3。P-DUKE的RDL系列在SIP-8封装中提供3 W、6 W和10 W版本。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　只需几个外部元件，就能满足EN55023和EN50121-3-2的EMI要求以及EN61000-4-4的瞬态要求。图4显示了基于P-DUKE应用笔记的完整电路。它还包括输入端的反极性保护。

　　图4。EMI、瞬态和反极性保护由几个外部元件实现。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　该模块内部完全用硅树脂封装，使其非常耐EN61373和MIL-STD-810F中定义的冲击和振动。灌封材料还将热量从内部组件传递到金属外壳。P-DUKE是第一家为这些产品引入独立外壳引脚的制造商。这使得模块更耐冲击和振动，并且一些热量可以散发到PCB板上(图5)。此外，这些模块还提供远程开/关以及过流和短路保护。

　　图5。额外的外壳引脚使模块更加坚固，并允许热量传递到PCB。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　上市时间

　　实现和批准包含50个或更多组件的适当分立解决方案需要几个月?在几周内完成设计，并根据特定列车项目的电压购买、存储和放置三种不同的DC/DC转换器，这不是更容易吗?

　　P-DUKE提供全球最大的DC/DC模块产品组合之一，不仅在铁路领域，而且在医疗、工业或国防市场，为从1 W到300 W的不同电源电压和功率水平提供解决方案。输入电压范围从2:1到12:1不等，冷却方法可以是对流、强制通风、附加散热器和冷却板，从而实现密封和防水解决方案(图6)。

　　图6。DC/DC模块有不同的外形规格。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　模块化方法

　　DC/DC转换器的模块化方法提供了高度的灵活性，但越来越多的工程师正在寻找无需设计、测试或批准即可快速实施的解决方案。多年来，完整解决方案一直是许多交流/DC应用的标准，在DC/DC应用中也越来越受欢迎。它们整合了所有必要的特性和功能，通过了全球安全认证，是即插即用的解决方案。

　　让我们再看一个数字化不断发展的火车市场的例子。改造现有系统和增加新功能需要标准的、易于安装的电源，这些电源可以在所有不同的列车电压下工作，并可以存储起来以便快速响应。P-DUKE的URCD系列是一个整体解决方案，可以处理从14 VDC到160 VDC的输入电压，提供最高20 W功率的所有标准输出电压，具有所有相关的轨道标准认证，可以安装在机箱或DIN导轨。图7显示了该解决方案的框图。