Инженеры, ответственные за силовые подсистемы конструкции, должны обеспечить, чтобы основной источник питания (который, если устройство не питается исключительно от первичных батарей, скорее всего, будет поступать от розетки переменного тока) мог удовлетворить потребности. Это, в свою очередь, требует наличия преобразователя переменного/постоянного тока, что поднимает вопрос: должен ли этот преобразователь быть внутренним, то есть частью самой конструкции, или внешним? 

Каждый вариант имеет свои преимущества. Внутренний преобразователь будет интегрирован в общую конструкцию, что потенциально снизит требования безопасности и, возможно, хотя и не обязательно, уменьшит общую стоимость. С другой стороны, внешний преобразователь обеспечивает большую гибкость в отношении общей требуемой мощности. Если выбран внешний адаптер питания, любое последующее увеличение его выходной мощности не повлияет на конструкцию остального изделия. Например, увеличение выходной мощности адаптера на 20% может пропорционально повлиять на размер внутреннего адаптера и потребовать пересмотра настроек терморегулирования. Внешний же адаптер можно заменить, не затрагивая размеры и форму других параметров основной конструкции изделия.

Кроме того, если в основном устройстве используются дополнительные батареи, внешний адаптер почти наверняка будет предпочтительным вариантом, поскольку он позволяет проектировать корпус устройства независимо от размера, веса и стоимости компонентов, необходимых для преобразования переменного тока в постоянный. В современной электронике пространство, необходимое для адаптера, может быть значительным по сравнению с используемыми высокоинтегрированными компонентами; например, мы не ожидаем использовать адаптер переменного тока в планшете. Даже многие ноутбуки теперь используют внешний адаптер вместо блока питания переменного тока.

Не следует игнорировать требования к конструкции адаптера переменного/постоянного тока, но они также не должны становиться ограничением при выборе внешнего адаптера. Если предположить, что внешний адаптер является подходящим вариантом для следующего продукта, все равно потребуется принять ряд проектных решений, основанных на различных факторах, как мы объясним ниже.

Безопасность прежде всего

В большинстве случаев внешний адаптер подает на устройство одно постоянное напряжение, тем самым понижая напряжение основного источника питания и распределяя его между подсистемами изделия. Это основное постоянное напряжение должно обеспечивать достаточную мощность на одном соединении для работы всего изделия, поэтому необходимо обращать внимание на тип используемого разъема.

Внешние адаптеры используют различные типы разъемов. В маломощных портативных устройствах (таких как смартфоны и планшеты) преобладает разъем USB. Появление USB 3.x с разъемом Type-C (также называемым просто USB-C) еще больше увеличит его распространенность, поскольку он позволяет подавать до 100 Вт при 20 В постоянного тока, если будет реализована соответствующая часть спецификации. С другой стороны, по-прежнему популярен проверенный временем штекерный разъем, а также D-образные разъемы с несколькими контактами, которые мы часто видим на адаптерах для электронных устройств, требующих большей мощности.

Рисунок 1: Существует множество вариантов при выборе подходящего разъема для внешнего адаптера питания (Источник: CUI) 

Кабель должен соответствовать типу используемого разъема. Опять же, требования к питанию в некоторой степени определят сечение провода, но необходимо также учитывать соображения безопасности, такие как длина кабеля и другие характеристики. Если пользователь планирует модифицировать разъем, например, изменив его размер или формат с помощью дополнительных адаптеров, это также может повлиять на сертификацию безопасности.

Поскольку переменный ток потенциально опасен, адаптеры должны быть надлежащим образом сертифицированы и иметь знак соответствия, по крайней мере, если они будут использоваться в большинстве стран. Хотя предпринимаются некоторые усилия по стандартизации этих требований, существуют географические различия. Некоторые характеристики являются общими для нескольких регионов, но все различия должны соблюдаться. Важно отметить, что некоторые области применения, такие как медицинское оборудование, имеют свои специфические требования. Производитель, скорее всего, будет знать до начала процесса проектирования, должен ли адаптер соответствовать этим спецификациям в зависимости от области применения и страны или региона, где он будет установлен. В случае сомнений лучше всего проконсультироваться со специалистом, например, с CUI.

Еще одно требование, связанное с проектированием, — это электромагнитные помехи (ЭМП) и электромагнитная совместимость (ЭМС). Соответствие стандартам ЭМП и ЭМС также варьируется в зависимости от региона, и зачастую тестирование — единственный способ узнать наверняка. Во многих случаях может потребоваться какой-либо вид фильтрации для снижения излучения на определенных частотах; ферритовые бусины, пожалуй, являются наиболее распространенным решением. И снова эксперты, такие как CUI, могут помочь производителям выполнить эти требования.

Региональные требования

Регулированию подлежат многие аспекты, связанные с источниками питания, включая как внутренние, так и внешние адаптеры. Конечно, если это внешний адаптер, то технические характеристики будут применяться только к нему самому, тогда как если это внутренний адаптер, то они, скорее всего, будут применяться ко всему изделию. Хотя это может показаться нелогичным, это важно, поскольку адаптер с высоким уровнем эффективности не должен страдать от недостатков, присущих другим частям изделия.

В качестве примера можно привести энергопотребление многих устройств в режиме ожидания, соответствующее стандартам эффективности, принятым в различных странах. В США обязательным является соответствие стандарту VI уровня Министерства энергетики (исторически основанному на стандарте Калифорнийской энергетической комиссии, введенном в 2004 году). Этот стандарт, действующий в настоящее время на всей территории США, устанавливает КПД внешних адаптеров питания и их энергопотребление в режиме ожидания. Например, такой адаптер, обеспечивающий одно постоянное напряжение для выходной мощности более 250 Вт, должен иметь минимальный КПД 87% и потреблять менее 0,5 Вт в режиме ожидания. CUI предоставляет информацию о многих действующих во всем мире стандартах и ​​о том, как они применяются к внешним адаптерам питания. Достаточно сказать, что если адаптер не соответствует стандарту, он не может быть введен в эксплуатацию. Если сам блок питания соответствует стандарту, но находится внутри устройства, которое ему не соответствует, перепроектирование блока питания, скорее всего, будет неэффективным. С другой стороны, разработка внешнего адаптера питания, соответствующего стандартам, позволила бы производителю использовать такую ​​конструкцию во многих своих продуктах или даже продавать ее на вторичном рынке.

Рисунок 2: Стандарты эффективности и их эволюция во времени (Источник: CUI)

К другим аспектам проектирования, которые следует учитывать, относится тип вилки, используемой для подключения к розетке переменного тока. Хотя существуют разные варианты в зависимости от географического региона, все чаще используются сертифицированные внешние адаптеры, работающие в различных регионах. Фактически, одним из главных преимуществ выбора внешнего адаптера является то, что он делает основной продукт практически универсальным.

В этом контексте важно учитывать, будет ли адаптер подключаться напрямую к розетке или использовать кабель питания переменного тока. Это решение, скорее всего, будет зависеть от двух факторов: внешнего вида изделия и требуемой мощности. Адаптеры, которым необходимо обеспечить мощность около 100 Вт, доступную через USB-C, могут выбрать версию с кабелем питания переменного тока, что, в свою очередь, предоставляет возможность использования съемной секции для адаптации к различным регионам.

Также необходимо учитывать габариты адаптера. Если это существенный фактор, целесообразно использовать передовые полупроводниковые технологии, такие как нитрид галлия (GaN), который обеспечивает более высокую эффективность переключения. Это, в свою очередь, улучшает тепловую эффективность и позволяет увеличить частоту переключения и, следовательно, плотность мощности. Проще говоря, большая эффективность означает меньшие габариты. Это может быть важно для внешнего адаптера питания, предназначенного для портативного устройства, или для удобства конечного пользователя, которому приходится иметь дело с большим, громоздким адаптером, лежащим под столом, за устройством или где-то еще поблизости.

Индивидуальные решения

Как уже упоминалось, вполне реально продавать внешние адаптеры питания как альтернативу внутренним блокам питания производителя. Также вполне логично, что специализированный поставщик, такой как CUI, сам разрабатывает и производит внешние блоки питания. Эта компания предлагает множество вариантов индивидуальной настройки внешнего адаптера питания в соответствии с дизайном вашего продукта. В этом случае наличие адаптера, который с гордостью демонстрирует ваш бренд, как если бы он был произведен на вашем собственном предприятии, является значительным преимуществом и лишь одной из дополнительных услуг, предоставляемых CUI.

Рисунок 3: Брендирование внешнего адаптера является частью их ценностного предложения (Источник: CUI)

Важно помнить, что в конечном итоге адаптер должен обеспечивать устройство необходимым напряжением и током, что возвращает нас к предпосылке, что источник питания всегда проектируется в последнюю очередь. Часто команда разработчиков не знает с полной уверенностью, сколько энергии потребуется продукту. Если адаптер переменного/постоянного тока должен быть внутренним, это создает проблему проектирования, но если решение о внешнем адаптере принимается как можно раньше, это освобождает инженеров и позволяет им сосредоточиться на характеристиках и функциональности продукта. Именно здесь CUI может оказаться неоценимой, взяв на себя проектирование и производство внешнего адаптера питания, разработанного для обеспечения требуемого напряжения и тока, соответствующего всем международным стандартам безопасности и эффективности, включающего фирменную символику заказчика в его собственном стиле и с выбранными им разъемами.

Автор: Рон Стулл, инженер по энергетическим системам, CUIInc.