POS終端機用基板客製化電源的開發案例|與現行電源的相容設計･PFC･瞬時停電序列

POS終端機用基板客製化電源的全客製化開發案例. 在由他社製現行基板電源進行替換時, 以確保機械･電氣･連接･動作各方面的相容性為前提確定規格. 涵蓋搭載PFC, 對印表機反覆峰值負載的耐受能力, 瞬時停電時的分階段停止序列, 以及可允許塗佈防潮劑的基板設計, 彙整需要反覆協調的議題加以介紹.

希望在不更改設備端的情況下替換現行的基板電源--致正在考慮客製化電源的設計負責人

在切換已經上市設備的電源時,困難之處並不在於尋找替代電源。而是在於如何定義"與現行相同方式運作"這一點。

並非只要輸出電壓與電流匹配即可。連接器的腳位排列、控制訊號的往來、瞬間停電發生時的停止程序、峰值負載的耐受能力。只要其中任何一項與現行產品不同,就需要對設備端的軟體或基板進行修改。既然現行產品運作良好,一旦決定變更,責任便落在決策方身上,因此往往會延後切換的判斷。

本案例是在將用於門市終端(POS終端)的客製化電源(基板型開關式電源)從他公司現行產品切換時,以與現行電源的相容性為前提條件來制定規格的開發案例。該設備被安裝於戶外設置的機殼中,電源則實裝於機殼內部。以下將依據需要反覆協調的重點進行說明。

客製化電源是根據客戶設備,專門設計其外形、容量與特性的電源。是透過改造標準品即可滿足,還是需要全新開發,其分界取決於對相容性的要求程度。

① 在著手前,將「與現行產品相容」的內容文件化

來自客戶的前提條件只有一點:「必須與現行電源相容」。如果直接照字面理解這句話,往往會在設計後期暴露出認知落差。本公司在報價前階段,會將相容的對象分為以下四類進行確認。

本案中, 關於AC輸入/DC輸出/風扇用的各連接器, 您已以清單形式提供現行品的型號與腳位配置。同時, 也確認"各連接器可採用相當品對應即可"的判斷。在零件供應不穩定的時期, 若將型號固定於單一廠商並持續推進設計, 僅因採購因素就可能影響時程。事先界定可接受相當品的範圍, 對於降低量產開始後的供應風險也具有實際效果。

容易被忽略的要點:連接器的實裝面(集中於單面, 或分配於雙面)有時不會記載於電氣規格書中。然而這與線纜走線及組裝工程直接相關, 若事後變更將需要重新進行電路板佈局。關於配置的限制, 應在首次訪談時加以確認。

② 停止序列的制定――如何應對瞬間停電

本案中最需要深入討論的是AC輸入中斷時的動作。對於處理結算與記錄的設備而言，比起電源中斷本身，更大的問題在於，設備端未被事先通知即將斷電。

客戶指定了如下的分階段動作要求。

這個「吸收時間」與「預告後維持輸出的時間」, 直接關係到電源端保持容量(hold-up)的設計. 由於必須同時滿足一次側電容容量, 二次側負載條件, 以及檢出電路的響應時間, 即使數毫秒的差異也會改變元件構成. 規格書中的一行內容, 會同時影響成本與基板面積.

在啟動側方面亦是如此, 我們也明確了遠端控制訊號的處理方式. 將AC投入時同時啟動的系統, 與接收到設備端控制訊號後才啟動的系統加以區分, 並採用在未提供控制訊號前不輸出主電源的架構. 關於訊號電壓等級, 則考量未來的向後相容性, 設定了具備餘裕的輸入規格.

需要確認的項目:控制訊號必須同時明確「由哪一方輸出(電源端或設備端)」,「Active為High或Low」, 以及「電壓等級為多少」這三點, 才能形成完整規格. 本案中也有如冷卻風扇轉速檢知訊號般, 因風扇機種尚未確定而無法決定邏輯的訊號. 在此情況下, 需於著手前決定是採用可同時對應兩種邏輯的電路架構, 或是將確定時程納入整體進度安排.

③ 峰值電流不是以"最大值"而是以"波形"來決定

POS終端機搭載收據印表機. 每次列印時, 熱感頭與馬達都會拉動電流, 因此會以短週期反覆產生遠超平均功耗所推算數值的峰值.

本案中客戶提供的並非單純數值, 而是以實機印表機測得的電流波形. 除了峰值之外, 也能讀取該峰值以何種比例(Duty)持續. 過電流保護應在何處動作, 必須將這些反覆條件一併納入考量.

若僅依峰值設定保護點, 會產生兩種失敗情況. 若保護點設定過低, 電源會在正常列印動作時關閉; 若設定過高, 則會忽略原本應保護的異常. 本公司以現行電源的保護動作點與實測波形為基準, 設定為可承受具同等Duty與峰值之過電流.

此外, 本公司亦將可對應此類反覆峰值負載的電源納入標準產品線. 即使為全客製化專案, 也能直接活用標準品所累積的電路設計與評估經驗, 因此相較於從零開始檢討, 可提高設計的可靠度.

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4 實裝環境的條件 - 防濕劑的塗佈與冷卻方式未確定

需求規格中記載為"戶外設置"。是要求電源基板本身具備防水、防塵功能,還是由機殼側進行防護,將會使設計產生重大差異。經確認後,方針為由機殼側確保防水、防塵性能,電源僅需作為安裝於機殼內部的單一基板即可。

不過在此基礎上,又追加了基於實際運用的條件。由於基板表面可能會塗佈防濕劑(塗層材料),希望在設計階段就排除可能造成阻礙的因素。這項需求源自市場經驗:在戶外設備中,即使已由機殼進行防護,實際運用時仍可能僅對電源部分追加防濕處理。

若以塗佈防濕劑為前提,對於具有可動部件的元件、用於調整的半固定電阻以及散熱路徑的確保等,都需要事先加以考量。若在量產開始後才決定塗佈,可能不得不從元件選型開始重新來過。能在"可能會塗佈"的階段即進行資訊共享,對於避免後續返工十分有效。

關於冷卻方式,設備端仍在評估是否搭載風扇。因此客戶提出的條件為,必須在無風扇的情況下也能成立的熱設計。若以強制風冷為前提來最佳化元件配置,一旦改為無風扇結構,溫度裕量將會不足。在冷卻方式尚未確定的階段,有必要以較嚴苛的一側條件進行設計判斷。

⑤ 時程與初期費用的思考方式

客製化電源的開發,無法以一次試作完成為前提來安排時程。本公司將依照以下階段推進。

在向客戶提示時程時, 我們不僅會說明開發完成所需期間, 還會區分可交付樣品的時間與可開始安排部材的時間分別說明。因為從量產開始日往回推算時, 真正關鍵的是後者。若能掌握部材的採購期間, 便可事先設計在何種階段取得內示才能趕上進度。

關於初期費用, 我們會以包含基板模具, 薄膜, 治具等預估為開發所需費用的形式提出報價。若採用事後逐項累加的方式, 在公司內部稟議過程中金額可能變動, 導致決策本身停滯。如在開發途中需要追加費用, 我們將在該時點另行個別協商。

關於匯率的處理:在比較多個採購來源時, 若報價幣別同時包含日圓與外幣, 將難以統一比較基準。本公司亦可依需求提供外幣計價的報價。請在比較評估階段與我們聯繫。

開發案例總結

是否有以下相同的困擾

本公司自1989年創立以來,作為AC/DC 變壓器與開關電源的製造商,從設計、製造到量產後的售後服務皆由自社負責。針對客製化電源,可對應輸出3W至1.5kW,並接受小量訂單諮詢。由於我們也備有基板型開放式電源作為標準產品線,可協助您判斷是否能透過標準品改造對應,或需重新設計。

即使規格尚未確定,只要提供現行產品資料,我們也能整理相容性重點並提出建議。

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※本案例在客戶許可範圍內刊載.企業名稱･產品名稱･型號･數量･價格･具體數值規格均不公開.
※所載內容為評估時點之資訊,實際規格･時程將因各案件而異.