面向POS终端的定制电源板开发案例|与现行电源的兼容设计･PFC･瞬停时序

面向POS终端的电源板全定制开发案例. 在替换他社现有电源板时, 以确保机械, 电气, 连接, 动作等各方面的兼容性为前提确定规格. 包括搭载PFC, 对打印机反复峰值负载的承受能力, 瞬时停电时的分阶段停机序列, 以及允许涂覆防湿剂的电路板设计等, 梳理需要反复协调的要点并进行介绍.

希望在不更改整机侧的情况下替换现行基板电源――致正在考虑定制电源的设计负责人

在切换已经投放市场的设备电源时, 难点并不在于寻找替代电源。而在于如何定义"与当前相同地运行"这一点。

并不是只要输出电压和电流一致就可以。连接器的引脚排列, 控制信号的交互方式, 瞬时停电发生时的停止步骤, 峰值负载的承受能力。只要有任何一项与现行产品不同, 就需要对整机侧的软件或基板进行修改。既然现行产品已经稳定供货, 一旦决定变更, 决策方就需要承担责任, 因此往往会推迟切换判断。

本案例是在将面向门店终端(POS终端)的定制电源(基板类型的开关电源)从他社现行产品切换时, 以与现行电源的兼容性为前提条件来明确规格的开发事例。设备被集成于户外安装的机柜中, 电源安装在机柜内部。以下将围绕需要反复对齐确认的关键点进行说明。

定制电源是根据客户设备专门设计形状, 容量和特性的电源。是通过改造标准品即可满足, 还是需要全新开发, 其分界点取决于对兼容性的要求程度。

1. 在着手前将"与现行产品兼容"的具体内容形成书面文件

客户提出的前提条件只有一点, 即"必须与现行电源兼容"。如果原样理解这句话, 在设计后期就会暴露出认知偏差。本公司在报价前阶段, 会将兼容对象分为以下四类进行确认。

在本项目中, 您已提供AC输入, DC输出及风扇用各连接器的现行型号和引脚分配清单。同时, 也确认"各连接器可采用等效品替代"。在零部件供应不稳定的时期, 若在设计过程中将型号固定为单一厂商, 进度可能仅因采购情况而受到影响。事先明确允许采用等效品的范围, 对于降低量产开始后的供应风险也具有积极意义。

容易被忽视的要点: 连接器的安装面(集中在单面或分布在双面)有时不会写入电气规格书。然而这直接关系到线缆走向和装配工序, 若后期更改将需要重新进行PCB布局设计。关于布局限制, 应在首次沟通时加以确认。

② 停止顺序的约定——如何响应瞬时停电

本案例中最需要深入讨论的是, 当AC输入中断时的动作。在处理结算和记录的设备中, 比起电源本身断电, 设备端未能事先获知即将断电才是问题所在。

客户指定了如下分阶段的动作。

这个"吸收时间"和"预告后维持输出的时间"直接关系到电源侧保持容量(hold-up)的设计。由于需要结合一次侧电容容量、二次侧负载条件以及检测电路的响应时间来共同实现, 数值只要变动几毫秒, 元器件构成就会发生变化。这是规格书中一行内容就会同时影响成本和基板面积的项目。

在启动侧方面也是如此, 我们对远程控制信号的处理方式进行了规定。将AC接通时同时启动的系统, 与接收到设备侧控制信号后才启动的系统分开设计, 并采用在未提供控制信号前不输出主电源的结构。关于信号的电压等级, 考虑到未来的向后兼容性, 采用了留有余量的输入规格。

需要确认的项目:控制信号只有在"由哪一侧输出(电源侧还是设备侧)","有效电平是High还是Low","电压等级是多少"这三点齐备时, 才能构成完整规格。在本项目中, 也存在类似冷却风扇转速检测信号那样, 因风扇机型尚未确定而逻辑尚未确定的信号。在这种情况下, 需要在开始实施前决定是采用可同时兼容两种逻辑的电路结构, 还是将最终确定时间纳入整体进度安排。

3 峰值电流不是以"最大值"而是以"波形"来决定

POS终端配备收据打印机. 每次打印时, 由于热敏打印头和电机都会拉动电流, 会以较短周期反复产生远超平均功耗预估值的峰值.

本次客户提供的不是数值, 而是在实际打印机上测得的电流波形. 除了峰值之外, 还可以读取该峰值以何种比例(Duty)持续. 过电流保护应在何处动作, 需要结合这一反复条件来决定.

如果只看峰值来设定保护点, 会产生两种失误. 若保护点设得过低, 电源会在正常打印过程中断电; 若设得过高, 则会忽略本应保护的异常. 本公司以现行电源的保护动作点和实测波形为基准, 设定为能够承受具有同等Duty和峰值的过电流.

此外, 本公司还将能够应对此类反复峰值负载的电源作为标准产品线提供. 即使是完全定制的情况, 也可以直接利用标准产品中积累的电路设计与评估经验, 相比从零开始评估, 能够提高设计的可靠性.

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④ 实施环境的条件--防潮剂的涂布与冷却方式未确定

需求规格中记载为"户外安装"。是要求电源板本身具备防水防尘性能, 还是由机壳侧进行防护, 设计将发生很大变化。经确认, 防水防尘由机壳侧确保, 电源仅需作为安装在机壳内部的单独电路板即可。

不过在此基础上, 又增加了基于实际运行情况的条件。由于可能会在电路板表面涂布防潮剂(涂层材料), 希望在设计阶段就排除相关的阻碍因素。根据市场经验, 在户外安装的设备中, 即使机壳已采取对策, 最终也可能仅对电源部分追加防潮处理。

如果以涂布防潮剂为前提, 对于带有可动部件的元件, 用于调节的半固定电阻, 以及散热路径的确保等方面, 都需要事先加以考虑。如果在量产开始后才决定涂布, 可能不得不从元件选型开始重新来过。能够在"可能会涂布"这一阶段就共享信息, 对于避免返工非常有效。

关于冷却方式, 设备侧也正在评估是否搭载风扇。因此客户提出的条件是, 即使在无风扇的情况下也能成立的热设计。如果以前提为强制风冷来优化元件布局, 一旦变更为无风扇结构, 温度裕量将会不足。在冷却方式尚未确定的阶段, 有必要按更严苛的一侧条件进行设计判断。

⑤ 日程与初期费用的考虑方式

定制电源的开发,无法以一次试制就结束为前提来安排日程。本公司将按照以下阶段推进。

在向客户提示日程时, 我们不仅会说明完成开发所需的时间, 还会分别告知可以交付样品的时间和可以开始安排物料的时间. 因为从量产开始日倒推时, 实际起关键作用的是后者. 如果能够预估物料的采购周期, 就可以事先规划在什么阶段获得内部预告即可赶上进度.

关于初期费用, 我们会将基板模具, 薄膜, 治具等预计开发所需的费用一并纳入后进行报价. 如果采用事后逐项累加的方式, 在公司内部审批过程中金额可能发生变动, 从而导致决策本身停滞. 若在开发过程中需要追加费用, 我们将在当时另行协商处理.

关于汇率的处理:在比较多个采购对象时, 如果报价币种混合为日元和外币, 就无法统一比较基准. 本公司也可根据需求提供外币报价. 请在比较评估阶段进行咨询.

开发案例总结

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本公司自1989年创立以来，作为AC/DC 电源适配器及开关电源的制造商，从设计、生产到量产后的售后支持均由公司自主完成。在定制电源方面，支持从输出3W到1.5kW，并可从小批量开始洽谈。同时，我们也备有板载型开放式电源作为标准产品阵容，因此可协助您判断通过改造标准品是否可行，或是否需要全新设计。

即使在规格尚未确定的阶段，只要提供现有产品资料，我们也可为您梳理兼容性要点并提出建议。

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※本案例在获得客户许可的范围内刊载。企业名称・产品名称・型号・数量・价格・具体数值规格均未公开。
※所记载内容为评估时的信息, 实际规格・交期会因项目而异。