Entwicklungsbeispiel eines kundenspezifischen Netzteils für POS-Terminal-Platinen | Kompatibilitätsdesign mit bestehenden Netzteilen, PFC und Ablauf bei kurzzeitigen Stromausfällen

Fallbeispiel zur vollständigen kundenspezifischen Entwicklung eines Leiterplattennetzteils für POS-Terminals. Beim Ersatz des bestehenden Leiterplattennetzteils eines anderen Herstellers wurden die Spezifikationen unter der Voraussetzung festgelegt, dass die mechanische, elektrische, anschlussseitige und funktionale Kompatibilität gewährleistet ist. Vorgestellt werden die Punkte, die eine detaillierte Abstimmung erforderten, darunter die Integration einer PFC, die Belastbarkeit bei wiederkehrenden Spitzenlasten des Druckers, eine stufenweise Abschaltsequenz bei kurzzeitigen Stromausfällen sowie ein Leiterplattendesign, das das Auftragen einer Feuchtigkeitsschutzbeschichtung ermöglicht.

Sie möchten das aktuelle Leiterplattennetzteil ersetzen, ohne Änderungen am Gerät vorzunehmen? Informationen für Entwickler, die ein kundenspezifisches Netzteil in Betracht ziehen

Beim Austausch des Netzteils eines bereits auf dem Markt befindlichen Geräts besteht die eigentliche Herausforderung nicht darin, ein Ersatznetzteil zu finden. Entscheidend ist vielmehr, wie definiert wird, dass es sich genauso verhält wie das bisherige Netzteil.

Es reicht nicht aus, dass Ausgangsspannung und Ausgangsstrom übereinstimmen. Zu berücksichtigen sind auch die Pinbelegung der Steckverbinder, der Austausch von Steuersignalen, der Abschaltvorgang bei kurzzeitigen Stromausfällen und die Belastbarkeit bei Spitzenlasten. Weicht auch nur einer dieser Punkte vom aktuellen Produkt ab, müssen die Software oder die Leiterplatte des Geräts angepasst werden. Da das aktuelle Produkt bereits problemlos eingesetzt wird, trägt die für die Änderung verantwortliche Seite auch das damit verbundene Risiko. Daher wird die Entscheidung über einen Wechsel häufig aufgeschoben.

Dieses Beispiel beschreibt die Entwicklung eines kundenspezifischen Netzteils für Kassenterminals (POS-Terminals), genauer gesagt eines Schaltnetzteils in Leiterplattenausführung, das ein bestehendes Produkt eines anderen Herstellers ersetzen sollte. Bei der Festlegung der Spezifikationen wurde die Kompatibilität mit dem bisherigen Netzteil als Grundvoraussetzung betrachtet. Das Gerät wird in ein für die Außenaufstellung vorgesehenes Gehäuse eingebaut, wobei das Netzteil im Inneren des Gehäuses montiert wird. Im Folgenden erläutern wir die Punkte, bei denen eine detaillierte Abstimmung erforderlich war.

Ein kundenspezifisches Netzteil wird hinsichtlich Bauform, Leistung und Eigenschaften speziell auf das Gerät des Kunden zugeschnitten. Ob die Modifikation eines Standardprodukts ausreicht oder eine vollständige Neuentwicklung erforderlich ist, hängt davon ab, in welchem Umfang Kompatibilität gefordert wird.

1. Den genauen Umfang der "Kompatibilität mit dem aktuellen Produkt" vor Projektbeginn dokumentieren

Die einzige Vorgabe des Kunden lautete: "Die Kompatibilität mit dem aktuellen Netzteil ist zwingend erforderlich." Wird diese Aussage unverändert übernommen, treten unterschiedliche Auffassungen erst in einer späteren Phase der Entwicklung zutage. Daher unterteilen wir bereits vor der Angebotserstellung die zu prüfende Kompatibilität in die folgenden vier Bereiche.

Für die jeweiligen Steckverbinder für AC-Eingang, DC-Ausgang und Lüfter wurden die Modellnummern und Pinbelegungen der aktuellen Produkte in einer Übersicht bereitgestellt. Gleichzeitig wurde entschieden, dass "für jeden Steckverbinder auch ein gleichwertiges Produkt verwendet werden kann". Wenn die Entwicklung in Zeiten instabiler Bauteilversorgung mit einer festen Modellnummer eines einzigen Herstellers fortgeführt wird, kann sich der Zeitplan allein aufgrund von Beschaffungsproblemen verschieben. Den zulässigen Rahmen für gleichwertige Produkte im Voraus festzulegen, ist auch zur Verringerung des Versorgungsrisikos nach Beginn der Serienproduktion sinnvoll.

Ein häufig übersehener Punkt:Die Bestückungsseite der Steckverbinder (ob sie auf einer Seite zusammengefasst oder auf beide Seiten verteilt werden) ist mitunter nicht in den elektrischen Spezifikationen angegeben. Da sie jedoch direkten Einfluss auf die Kabelführung und den Montageprozess hat, führt eine spätere Änderung zu einer Überarbeitung des Leiterplattenlayouts. Die Einschränkungen hinsichtlich der Platzierung sollten daher bereits beim ersten Abstimmungsgespräch geklärt werden.

2. Festlegung der Abschaltsequenz -- Reaktion auf kurzzeitige Stromausfälle

Der Punkt, der bei diesem Projekt am genauesten abgestimmt werden musste, war das Verhalten bei einer Unterbrechung des AC-Eingangs. Bei Geräten, die Zahlungen oder Datenaufzeichnungen verarbeiten, ist nicht der Stromausfall selbst das Problem, sondern vielmehr, dass das angeschlossene Gerät nicht vorab über den bevorstehenden Ausfall informiert wird.

Der Kunde forderte den folgenden stufenweisen Ablauf.

Diese "Überbrückungszeit" und die "Zeit, während der die Ausgangsleistung nach der Vorwarnung aufrechterhalten wird", stehen in direktem Zusammenhang mit der Auslegung der Haltekapazität (Hold-up) auf der Stromversorgungsseite. Da die Kapazität des primärseitigen Kondensators, die Lastbedingungen auf der Sekundärseite und die Reaktionszeit der Erkennungsschaltung aufeinander abgestimmt werden müssen, kann bereits eine Änderung um wenige Millisekunden eine andere Bauteilkonfiguration erforderlich machen. Diese einzelne Zeile im Lastenheft wirkt sich sowohl auf die Kosten als auch auf die benötigte Leiterplattenfläche aus.

Auch für den Anlauf wurden entsprechende Festlegungen zum Umgang mit dem Fernsteuersignal getroffen. Dabei wurden die Versorgungskreise, die gleichzeitig mit dem Anlegen der AC-Spannung starten, von den Versorgungskreisen getrennt, die erst nach Empfang eines Steuersignals von der Geräteseite starten. Der Hauptausgang wird nicht aktiviert, solange kein Steuersignal anliegt. Für den Spannungspegel des Signals wurde eine Eingangsspezifikation mit ausreichender Toleranz festgelegt, um die zukünftige Abwärtskompatibilität zu berücksichtigen.

Zu prüfende Punkte:Ein Steuersignal ist erst dann vollständig spezifiziert, wenn die folgenden drei Punkte festgelegt sind: "Von welcher Seite wird es ausgegeben - von der Stromversorgungsseite oder von der Geräteseite?", "Ist der aktive Zustand High oder Low?" und "Wie hoch ist der Spannungspegel?". In diesem Fall gab es auch Signale, deren Logik noch nicht feststand, wie etwa das Drehzahlerkennungssignal des Lüfters, da das Lüftermodell noch nicht ausgewählt war. In einem solchen Fall muss vor Beginn entschieden werden, ob die Schaltung beide Logikvarianten unterstützen soll oder ob der Zeitpunkt der endgültigen Festlegung in den Zeitplan aufgenommen wird.

3. Der Spitzenstrom wird nicht anhand des "Maximalwerts", sondern anhand der "Wellenform" bestimmt

POS-Terminals sind mit einem Belegdrucker ausgestattet. Da der Thermokopf und der Motor bei jedem Druckvorgang Strom aufnehmen, treten in kurzen Abständen wiederholt Stromspitzen auf, die den aufgrund der durchschnittlichen Leistungsaufnahme erwarteten Wert bei Weitem übersteigen.

In diesem Fall stellte uns der Kunde keine Zahlenwerte, sondern die anhand des Druckers im realen Betrieb gemessene Stromwellenform zur Verfügung. Daraus lassen sich neben dem Spitzenwert auch das Tastverhältnis (Duty Cycle) und damit die Dauer der jeweiligen Stromspitze ablesen. Bei der Festlegung des Auslösepunkts des Überstromschutzes müssen diese wiederkehrenden Bedingungen berücksichtigt werden.

Wird der Schutzschwellenwert ausschließlich anhand des Spitzenwerts festgelegt, können zwei Probleme auftreten: Ist der Schwellenwert zu niedrig, schaltet sich die Stromversorgung während des normalen Druckbetriebs ab. Ist er zu hoch, werden Störungen übersehen, vor denen das System eigentlich geschützt werden sollte. Daher legten wir sowohl den Auslösepunkt der Schutzschaltung des bisherigen Netzteils als auch die tatsächlich gemessene Wellenform zugrunde und wählten eine Einstellung, die Überströmen mit vergleichbarem Tastverhältnis und Spitzenwert standhält.

Darüber hinaus führen wir Netzteile für solche wiederkehrenden Spitzenlasten auch in unserem Standardsortiment. Selbst bei vollständig kundenspezifischen Lösungen können wir die bei Standardprodukten gewonnenen Erkenntnisse aus Schaltungsentwicklung und Prüfung direkt nutzen. Dadurch lässt sich die Zuverlässigkeit der Konstruktion gegenüber einer vollständigen Neuentwicklung erhöhen.

AC-Netzadapter für Spitzenlasten anzeigen

4. Bedingungen der Implementierungsumgebung - Auftragen eines Feuchtigkeitsschutzmittels und noch nicht festgelegte Kühlmethode

In den Anforderungsspezifikationen war eine "Außeninstallation" vorgesehen. Je nachdem, ob die Stromversorgungsplatine selbst wasser- und staubdicht sein muss oder durch das Gehäuse geschützt wird, ändert sich die Konstruktion erheblich. Auf Nachfrage wurde bestätigt, dass der Wasser- und Staubschutz durch das Gehäuse gewährleistet wird und die Stromversorgung als einzelne, im Inneren des Gehäuses zu montierende Platine ausgeführt werden kann.

Allerdings kam eine weitere Bedingung hinzu, die den praktischen Betrieb berücksichtigt. Da möglicherweise ein Feuchtigkeitsschutzmittel (Beschichtungsmaterial) auf die Platinenoberfläche aufgetragen wird, sollten mögliche Hindernisse dafür bereits in der Konstruktionsphase beseitigt werden. Diese Anforderung beruhte auf Markterfahrungen, wonach bei Geräten für die Außeninstallation trotz entsprechender Maßnahmen am Gehäuse letztlich manchmal nur der Stromversorgungsbereich zusätzlich gegen Feuchtigkeit geschützt wird.

Wenn das Auftragen eines Feuchtigkeitsschutzmittels vorausgesetzt wird, müssen bestimmte Punkte im Voraus berücksichtigt werden, etwa Bauteile mit beweglichen Teilen, einstellbare Trimmerwiderstände und die Sicherstellung geeigneter Wärmeableitungswege. Wird die Beschichtung erst nach Beginn der Serienproduktion beschlossen, kann es notwendig werden, bereits bei der Auswahl der Bauteile von vorn zu beginnen. Dass bereits in der Phase, in der die Beschichtung lediglich eine Möglichkeit war, entsprechende Informationen mit uns geteilt wurden, trug wirksam dazu bei, spätere Nacharbeiten zu vermeiden.

Auch hinsichtlich der Kühlung wurde auf Geräteseite noch geprüft, ob ein Lüfter eingebaut werden sollte. Daher stellte der Kunde die Bedingung, die thermische Auslegung müsse auch ohne Lüfter funktionieren. Wird die Bauteilanordnung unter der Annahme einer Zwangsluftkühlung optimiert, reicht die thermische Reserve nicht mehr aus, sobald auf eine Konfiguration ohne Lüfter umgestellt wird. Solange die Kühlmethode noch nicht feststeht, muss die Konstruktion auf den ungünstigeren Betriebsbedingungen basieren.

5. Zeitplan und anfängliche Kosten

Bei der Entwicklung kundenspezifischer Stromversorgungen kann der Zeitplan nicht unter der Annahme erstellt werden, dass nur ein einziger Prototyp erforderlich ist. Wir führen die Entwicklung in den folgenden Phasen durch.

Wenn wir unseren Kunden einen Zeitplan vorlegen, nennen wir nicht nur den Zeitraum bis zum Abschluss der Entwicklung, sondern unterscheiden zwischen dem Zeitpunkt, zu dem wir Muster bereitstellen können, und dem Zeitpunkt, zu dem die Beschaffung der Materialien beginnen kann. Denn bei einer Rückrechnung vom geplanten Start der Serienproduktion ist letztlich der zweite Zeitpunkt entscheidend. Wenn die Beschaffungszeiten der Materialien bekannt sind, lässt sich im Voraus planen, bis zu welcher Phase eine Vorabzusage vorliegen muss, damit der Zeitplan eingehalten werden kann.

Bei den Anfangskosten berücksichtigen wir alle voraussichtlich für die Entwicklung erforderlichen Aufwendungen, beispielsweise für Leiterplattenformen, Filme und Vorrichtungen. Würden einzelne Positionen erst nachträglich hinzugefügt, könnte sich der Betrag während des internen Genehmigungsverfahrens ändern und dadurch die Entscheidungsfindung selbst ins Stocken geraten. Sollten im Laufe der Entwicklung zusätzliche Kosten entstehen, stimmen wir diese zum jeweiligen Zeitpunkt individuell mit Ihnen ab.

Zum Umgang mit Wechselkursen: Wenn mehrere Beschaffungsquellen miteinander verglichen werden, fehlt eine einheitliche Vergleichsgrundlage, sobald die Angebote teils in Yen und teils in Fremdwährungen ausgewiesen sind. Auf Wunsch können wir unsere Angebote auch in einer Fremdwährung erstellen. Bitte sprechen Sie uns bereits in der Vergleichs- und Prüfungsphase darauf an.

Zusammenfassung des Entwicklungsprojekts

Haben Sie ähnliche Probleme?

Seit unserer Gründung im Jahr 1989 entwickeln und fertigen wir als Hersteller von Netzadaptern und Schaltnetzteilen sämtliche Produkte selbst und übernehmen auch den Kundendienst nach Beginn der Serienproduktion.Bei kundenspezifischen Netzteilen bieten wir Lösungen mit Ausgangsleistungen von 3 W bis 1,5 kW bereits in kleinen Stückzahlen an.Da auch Open-Frame-Netzteile in Leiterplattenbauweise zu unserem Standardsortiment gehören, unterstützen wir Sie bereits bei der Beurteilung, ob eine Modifikation eines Standardprodukts ausreicht oder eine Neuentwicklung erforderlich ist.

Auch wenn die Spezifikationen noch nicht feststehen, können wir anhand der Unterlagen des derzeitigen Produkts die relevanten Aspekte der Kompatibilität klären und Ihnen einen geeigneten Vorschlag unterbreiten.

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*Dieses Fallbeispiel wird im Rahmen der vom Kunden erteilten Genehmigung veröffentlicht. Unternehmensname, Produktename, Modellnummer, Menge, Preis und konkrete numerische Spezifikationen werden nicht veröffentlicht.
*Die Angaben entsprechen dem Stand zum Zeitpunkt der Prüfung. Die tatsächlichen Spezifikationen und Termine variieren je nach Projekt.