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POS终端用定制板载电源开发案例|与现有电源的兼容设计、PFC、瞬时断电时序
面向POS终端的定制电路板电源全定制开发案例。在替换其他公司现有电路板电源时，以确保机械、电气、连接及运行各方面的兼容性为前提确定了规格。本文将梳理并介绍需要协调的各项要点，包括搭载PFC、承受打印机反复出现的峰值负载、瞬时停电时的分阶段停机顺序,以及允许涂覆防潮剂的电路板设计。
希望在不改动设备端的情况下替换现有板载电源--致正在考虑定制电源的设计负责人
更换已投放市场设备的电源时,难点并不在于寻找替代电源,而在于如何定义"能够像现在一样运行".
这并不是只要输出电压和电流匹配就能解决的问题.连接器的引脚排列,控制信号的交互,发生瞬时停电时的停机流程,峰值负载承受能力.只要其中任何一项与现有产品不同,就需要修改设备端的软件或电路板.由于现有产品一直运行正常,决定变更的一方将承担相应责任,因此更换决定往往会被推迟.
本案例是在将面向门店终端(POS终端)的定制电源(板载型开关电源)从其他公司的现有产品进行替换时,以兼容现有电源为前提条件确定规格的开发案例.该设备安装在户外设置的机箱内,电源则装配于机箱内部.下面将按照需要协调确认的要点进行说明.
定制电源是根据客户设备的需求,对形状,容量和特性进行专门设计的电源.是改造标准产品即可满足需求,还是需要全新开发,其界限取决于对兼容性的要求程度.
1. 在着手前将"与现有产品兼容"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"必须与现有电源兼容"。如果直接按字面理解这句话, 双方认知上的偏差就会在设计后期显现出来。本公司会在报价前将兼容对象分为以下四类进行确认。
| 兼容对象 | 确认内容 |
|---|---|
| 机械兼容性 | 电路板外形, 安装孔位置, 元器件高度限制, 连接器的安装面 |
| 电气兼容性 | 输出电压的路数及额定值, 峰值电流承受能力, 是否需要功率因数校正(PFC)电路 |
| 连接兼容性 | 连接器型号和引脚定义, 允许使用替代品(同等品)的范围 |
| 运行兼容性 | 启动和停止顺序, 控制信号的逻辑与电压, 异常时的运行方式 |
本项目已提供AC输入、DC输出及风扇用各连接器的现用产品型号和引脚定义清单。同时也确认了"各连接器可使用同等规格的替代品"。在零部件供应不稳定的时期, 如果在设计过程中始终将型号限定为单一厂商的产品, 项目进度可能会仅因采购原因而发生变动。事先确定可使用同等规格替代品的范围, 对降低量产开始后的供应风险也十分有效。
容易被忽视的一点:连接器的安装面(集中在正面, 还是分布在正反两面)有时不会写入电气规格书中。但由于这会直接影响线缆布线和组装工序, 如果后期变更, 就需要重新设计PCB布局。布局限制是首次沟通时需要确认的事项。
2. 停机时序约定--如何应对瞬时断电
本项目中最需要深入研究的是AC输入中断时的运行方式。对于处理支付和记录的设备而言, 与断电本身相比, 设备端未被提前告知即将断电才是问题所在。
客户指定了如下分阶段运行方式。
| 阶段 | 电源单元所需执行的操作 |
|---|---|
| 短时间瞬时断电 | 由电源单元内部吸收并维持输出电压。不输出异常通知信号(不让设备端察觉) |
| 超过规定时间的断电 | 输出断电预警信号, 提示设备端切换至电池供电 |
| 预警后的宽限时间 | 在切换完成前的规定时间内持续维持输出电压 |
| 宽限时间结束后 | 停止所有输出 |
该"吸收时间"和"提前通知后维持输出的时间"与电源侧保持容量(保持时间)的设计直接相关. 由于需要综合考虑初级侧电容容量, 次级侧负载条件及检测电路的响应时间, 数值仅变化几毫秒就可能导致元器件配置发生改变. 这是规格书中仅一行内容就会同时影响成本和电路板面积的项目.
启动方面同样确定了远程控制信号的处理方式. 将与AC接通同时启动的系统和接收到整机侧控制信号后才启动的系统区分开来, 并采用只有在控制信号输入后才输出主电源的配置. 对于信号的电压电平, 考虑到未来的向后兼容性, 输入规格中预留了充足余量.
需要确认的项目:控制信号只有在"由哪一侧输出(电源侧还是整机侧)","高电平还是低电平有效","电压电平是多少"这3点全部明确后, 才能形成完整规格. 本项目中也存在类似冷却风扇转速检测信号的情况, 由于风扇型号尚未确定, 信号逻辑也未确定. 在这种情况下, 应在开始前确定是采用可兼容两种逻辑的电路配置, 还是将确定时间纳入项目日程.
3. 峰值电流不是根据"最大值", 而是根据"波形"来确定
POS终端配备收据打印机。由于每次打印时热敏打印头和电机都会消耗电流, 因此会以较短的周期反复产生远超根据平均功耗推算值的峰值电流。
在本项目中, 客户提供的并非数值, 而是使用实际打印机测得的电流波形。除了峰值外, 还可以从中读取该峰值以多大比例(Duty)持续。过流保护的触发点需要结合这一重复条件来确定。
如果只根据峰值设置保护点, 会导致两种问题。保护点设置过低时, 正常打印过程中电源会中断; 设置过高时, 则会漏过本应保护的异常情况。本公司以现有电源的保护动作点和实测波形为基准, 将其设置为能够承受具有同等Duty和峰值的过电流。
此外, 本公司还将支持此类重复峰值负载的电源纳入标准产品阵容。即使是全定制产品, 也能直接运用从标准产品中积累的电路设计与评估经验, 因此与从零开始研究设计相比, 可以提高设计的可靠性。
4. 实装环境条件--防潮剂涂覆与冷却方式尚未确定
需求规格中注明了"户外安装". 根据是要求电源板本身具备防水和防尘能力, 还是由外壳提供保护, 设计会发生很大变化. 经确认, 防水和防尘将由外壳保障, 电源只需采用安装在外壳内部的独立电路板即可.
不过在此基础上, 又增加了基于实际运行情况的条件. 由于电路板表面可能会涂覆防潮剂(涂覆材料), 因此希望在设计阶段提前排除会妨碍涂覆的因素. 这一要求源于客户的市场经验: 对于户外安装的设备, 即使外壳已经采取了防护措施, 实际使用中也可能最终仅对电源部分追加防潮处理.
如果以涂覆防潮剂为前提, 则需要提前考虑带有活动部件的元器件, 用于调节的微调电阻以及散热路径的保障等问题. 如果在开始批量生产后才决定进行涂覆, 可能不得不从元器件选型阶段重新开始. 在"可能会涂覆"的阶段就共享这一信息, 对避免返工非常有效.
在冷却方面, 设备端也仍处于评估是否安装风扇的阶段. 因此, 客户提出的条件是热设计必须在无风扇的情况下也能满足要求. 如果以强制风冷为前提优化元器件布局, 那么在改为无风扇配置时, 温度裕量就会不足. 在冷却方式尚未确定的阶段, 有必要按照更严苛的条件进行设计.
5. 进度与前期费用的考量方式
定制电源的开发无法以一次试制即可完成为前提来安排进度。我司将按照以下阶段推进。
| 阶段 | 主要内容 |
|---|---|
| EVT(设计验证) | 原理图和PCB布局, 变压器安排, 首次试制, 电气特性与EMI调整 |
| DVT(第二轮设计验证) | 布局修改, 第二次试制, 重新评估, 技术报告 |
| 客户样品批准 | 样品制作与提交, 根据评估结果进行修改, 设计开发审查 |
| PVT(量产验证) | 按量产条件进行试制, 内部验证测试 |
| 结构设计与模具 | 制作结构图, 禁布区域图和外形图, 模具制作, 结构验证, 由质量保证部门进行验证 |
在向客户说明日程时,我们不仅会告知开发完成所需的时间,还会分别说明可以交付样品的时间和可以开始安排物料的时间.这是因为从量产开始日期倒推时,真正影响进度的是后者.如果能够掌握物料的采购周期,就可以提前规划在哪个阶段获得意向订单才能按时完成.
关于前期费用,我们提供的报价中会包含预计开发所需的费用,例如电路板模具,菲林和工装夹具等.如果采用事后逐项追加费用的方式,金额可能会在公司内部审批过程中发生变化,导致决策本身停滞.如果在开发过程中需要追加费用,我们会届时另行与您协商.
关于汇率的处理:在对多个采购来源进行比较时,如果报价币种中同时存在日元和外币,比较标准就无法统一.本公司也可以根据您的要求提供外币报价.请在比较评估阶段与我们联系.
开发案例汇总
| 用途 | 面向门店终端(POS终端)的电路板型开关电源 |
| 服务类别 | 全定制电源(替换其他公司生产的现有电源) |
| 前提条件 | 确保与现有电源的兼容性(机械、电气、连接、运行) |
| 主要规格要求 | 多路输出、配备功率因数校正(PFC)电路、承受重复峰值负载、瞬时停电时的分阶段停机顺序、通过远程控制信号进行输出控制、冷却风扇转速检测输入 |
| 安装条件 | 安装于户外机壳内部、设计允许涂覆防潮剂、无需风扇即可满足要求的热设计、连接器集中布置于表面 |
| 零部件采购 | 主要连接器允许使用同等规格产品 |
| 开发流程 | EVT、DVT、客户样品批准、PVT、结构设计/模具、验证 |
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| 现有电源的制造商已停止提供支持, 无法找到替代产品 |
| 连接器的采购不稳定, 希望就切换至同等产品等事宜进行咨询 |
| 无法判断标准产品能否满足需求, 或是否需要定制电源 |
| 正在寻找可以承接小批量定制电源的制造商 |
自1989年创立以来, 本公司作为AC/DC 电源适配器和开关电源制造商, 始终自主负责从设计, 制造到量产后的售后支持等所有环节。关于定制电源, 可提供输出功率3W至1.5kW的产品, 并承接小批量咨询。由于我们还拥有标准系列的板载式开放框架电源, 因此可以从判断能否通过改造标准产品来满足需求, 或是否需要全新设计开始为您提供协助。
即使规格尚未确定, 只要您能提供现有产品的相关资料, 我们也可以梳理兼容性方面的问题并提出建议。
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*本案例在客户许可的范围内发布.公司名称,产品名称,型号,数量,价格及具体数值规格均不公开.
*所述内容为研究讨论时的信息,实际规格和日程因项目而异.