Praxistipp: Technische Kriterien zur Netzteilauswahl

| Autor / Redakteur: Heidrun Seelen, Frank Cubasch * / Gerd Kucera

Bild 1: Randbedingungen für die Auswahl einer Stromversorgung.
Bild 1: Randbedingungen für die Auswahl einer Stromversorgung. (Bild: Magic Power)

Applikationsnachstellung, Betriebsfrequenz, Detating, Netz- und Lasttoleranz, Lastbild, Restwelligkeit, EMI, Zulassung und weitere Forderungen machen das Design-in der Stromversorgung mitunter mühsam.

Die Stromversorgung ist oftmals das Stiefkind in einer Systementwicklung. Nach dem Motto: Das Netzteil muss ja nur Spannungen sicher auf ein (in der Regel niedrigeres Niveau) heruntersetzen. Erst wenn der Entwickler die Laborstromversorgung am Arbeitsplatz ausschaltet und sich um das Seriennetzteil kümmert, wird die Komplexität des Themas deutlich. Aber dann ist es oft zu spät, wodurch Verzögerungen und vermeidbare Kosten entstehen. Ein Netzteil befindet sich in einem Konglomerat aus technischen, kaufmännischen und normativen Anforderungen. In diesem Artikel soll überwiegend auf die technischen Details eingegangen werden.

Welches sind denn nun die häufigsten Randbedingungen während des Design-ins von Schaltnetzteilen? Aus Sicht des Entwicklers sind die wohl wichtigsten Parameter Ausgangsspannung(en) und Leistung, Eingangsspannung, Zulassungen und die Baugröße. Selbst bei diesen nur fünf Parametern ist eine genauere Definition unabdingbar. Dazu werden die essentiellen Charakteristika skizziert.

Versorgungsspannung und Betriebsfrequenz: Die Versorgungsspannung eines Netzteils definiert sich über den Nennwert der Eingangsspannung, z.B. 100 bis 240 VAC, und den Arbeitsbereich. Dieser wird in der Regel mit Toleranzen von +/-10% ausgewiesen, sodass sich ein Eingangsspannungsbereich von 90 bis 264 VAC ergibt. Ähnliches gilt für die Betriebsfrequenz mit 50 bis 60 Hz als Nennwert und analog 47 bis 63 Hz als Arbeitsbereich.

Eingangsspannungs-Derating: Je nach Netzteil, Kühlungssituation (aktiv oder lüfterlos), Temperatur und Leistung, muss im unteren Eingangsspannungsbereich die Dauerleistung reduziert werden. Solch ein Eingangsspannungs-Derating ist im Datenblatt ausgewiesen und kann beispielsweise wie in Bild 2 gezeigt aussehen.

Ist gewährleistet, dass die Kunden die Geräte nur in Europa betreiben, könnte man obiges Netzteil fast zu 100% belasten. Ist jedoch von einem weltweiten Betrieb auch in den USA oder in Japan auszugehen, kann das Netzteil nur 70% der möglichen Leistung bereitstellen.

Ausgangsleistung: Bei der Kenngröße Ausgangsleistung ist zwischen Dauer- und Spitzenleistung (Peak) zu unterscheiden. Die Angabe der Peak-Leistung ist dann von Interesse, wenn seitens der Anwendung hohe Anlaufströme, etwa von Motoren, gefordert werden. Neben dem reinen Wert der Peak-Leistung sind zusätzlich die Dauer und die Wiederholfrequenz (duty cycle) zu berücksichtigen.

Nominalleistung und Maximalleistung: Bei Netzteilen mit Mehrfachspannungen wird oftmals eine entsprechende Nominalleistung pro Ausgang definiert. Die Summenleistung der Ausgänge ergibt dann i.d.R. die Nominalleistung des Netzteils. Typischerweise lässt sich jeder Ausgang auch dauerhaft höher belasten. Dieser oft als Maximalleistung definierte Wert erlaubt eine Verschiebung der Leistung zwischen den einzelnen Ausgängen, sofern sich die Summenleistung innerhalb der Netzteilspezifikation bewegt.

Spannungstoleranzen: Bei der Netzteilauswahl müssen je nach Anwendung auch Spannungstoleranzen berücksichtigt werden. Diese lassen sich in folgende Gruppen einteilen:

  • initiale Einstellung ab Werk: Das ist die Genauigkeit, mit welcher der Hersteller die Ausgangsspannung ab Werk einstellt. Das zugrundeliegende Setting, z.B. Last, Temperatur, Eingangsspannung, ist im Datenblatt vorgegeben. Dies ist gleichzeitig der Bezugswert zusätzlicher Toleranzen, die sich beispielsweise aus den Toleranzen der Bauteile ergeben. Der Wert liegt in der Regel bei +/-1% bis +/-2% bezogen auf die Sollspannung.
  • Netztoleranz: Wie verändert sich die Ausgangsspannung bei konstanter Last, wenn sich die Eingangsspannung ändert? Meist ist der Wert vernachlässigbar klein und liegt deutlich unter der typischen +/-1%-Angabe des Datenblattes.
  • Lasttoleranz bei Einfachspannungen: Hier gibt es massive Unterschiede zwischen verschiedenen Netzteiltypen. Generell wird die Lasttoleranz basierend auf einem Ausgangswert (meist 60% der Nennleistung) und zwei Lastpunkten (100% und 20% der Nominallast) vermessen. Bei einem Open-Frame-Netzteil mit nur einer Ausgangsspannung sind die Unterschiede zwischen 20% und 100% Last sehr gering. Das Netzteil misst direkt an den Ausgangsklemmen die Ist-Spannung und führt sie einem Vergleicher zu, welcher die Primärseite nachregelt. Bei einem Tisch- oder Steckernetzteil ist das prinzipiell identisch, jedoch erweitert um das Ausgangskabel, an dessen Ende gemessen wird. Der Wert der Ausgangsspannung spielt hierbei eine bedeutende Rolle. Man kann sich leicht vorstellen, dass bei einem 5-V-Adapter im Vergleich zu einem 48-V-Adapter deutlich mehr Strom fließt (bei identischer Leistung). Deshalb und aufgrund des Wirkungsgrades werden bei kleinen Spannungen höhere Leitungsquerschnitte eingesetzt. Doch selbst bei verdoppeltem Querschnitt ergeben sich deutliche Unterschiede in der Lastregelung, weswegen zusätzlich kürzere Ausgangskabel verwendet werden.
  • Lasttoleranz bei Multispannungsgeräten: Im Falle von Netzteilen mit mehreren Ausgangsspannungen richtet sich die Lasttoleranz in erster Linie nach dem technischen Aufbau. Bei Netzteilen mit kleinerer Leistung gibt es oftmals einen Hauptausgang, der in seinen Toleranzen einem Netzteil mit Einfachausgang entspricht. Die Nebenspannungen nutzen den Regelkreis des Hauptausganges indirekt mit. Dies hat zur Folge, dass in diesen Fällen ein kleiner Mindeststrom auf dem Hauptausgang fließen muss und die Nebenstrecken eine erhöhte Lasttoleranz von etwa +/-3% bis +/-7% aufweisen. Ein Unterschreiten des Mindeststromes führt in aller Regel nicht zum Defekt des Netzteils, kann aber zu erhöhten Toleranzen der Nebenspannungen führen. Bessere Toleranzen werden bei komplett geregelten Multispannungsnetzteilen mit größeren Ausgangsleistungen erreicht. Je nach Design bestehen diese Geräte aus einem starken Hauptausgang und zusätzlichen Nebenausgängen, welche mittels DC/DC-Wandlern aus dem Hauptausgang gespeist werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, durch Mehrfachabgriffe am Übertrager jedem Zusatzausgang einen DC/DC-Wandler zur Regelung nachzuschalten. Mit beiden Topologien werden typische Toleranzwerte von +/-1% bis +/-2% erreicht.

Restwelligkeit: Die Kenngröße Restwelligkeit ergibt sich größtenteils aus der primären Taktung des Schaltreglers und aus der Netzfrequenz. Soll die Restwelligkeit (auch Ripple) vermessen werden, ist die Beschaltung der Leitungen an der Last mit einem kleinen Elektrolytkondensator parallel zu einem Keramik- oder Folienkondensator zu empfehlen. Andernfalls ergeben sich durch Streuung und Kopplung in die hochohmige Prüfspitze falsche Werte, die deutlich oberhalb der real existierenden Restwelligkeit liegen.

Umgebungstemperatur und Betriebstemperatur: Ein sehr wichtiger, aber oftmals stiefmütterlich beachteter Punkt des Design-ins sind die Umgebungstemperatur/Betriebstemperatur und die Kühlungsbedingungen. Speziell bei Anwendungen mit Konvektionskühlung und höheren Temperaturen ist dies wohl der Parameter mit dem größten Einfluss auf die Auswahl der Stromversorgung. Während aktiv gekühlte Netzteile noch relativ einfach zu parametrisieren sind, müssen bei konvektionsgekühlten Systemen folgende Bedingungen beachtet werden: Umgebungstemperatur, Einbaulage, Ausgangsleistung und Kühlungsbedingungen. Basis ist hierbei die Derating-Kurve der Temperatur aus dem Datenblatt des Netzteils. Sie basiert auf einem Faktor, welcher in %/K ab einer bestimmten Starttemperatur zu berücksichtigen ist. Bei manchen Herstellern wird der Wert auch nur in Textform angegeben. Bis zu diesem Punkt hat die Betriebstemperatur keinen Einfluss auf die Leistungsabgabe des Netzteils. Markttypische Werte sind -2,5%/K ab 40 °C oder 50 °C aufwärts.

Im folgenden Beispiel soll eine Dauerleistung von 45 W bei 70 °C im lüfterlosen Betrieb gewährleistet werden. Es stehen drei verschiedene Netzteile zur Auswahl: 90-W-Netzteil mit -2,5%/K ab 50 °C, 60-W-Netzteil mit -2,5%/K ab 50 °C und das 60-W-Netzteil MPE-S065 mit -0,75%/K ab 50°C. Diese im Datenblatt auf den ersten Blick sehr ähnlichen Derating-Faktoren führen in der Praxis jedoch zu deutlichen Unterschieden. Die geforderte Leistung von 45 W@70 °C wird mit dem 90-W-Netzteil gerade so erreicht, während das 60-W-Netzteil nur mit 30 W bei 70 °C belastet werden darf. Das MPE-S065-Netzteil, obwohl nominal nur 60 W stark, kann hier permanent mit 51 W bei 70 °C belastet werden und hat damit sogar noch Reserven zu den geforderten 45 W.

Egal ob nun Derating der Eingangsspannung oder der Temperatur, das Netzteil führt die Rücknahme der Leistung nicht selbst durch. Es wird sogar eine gewisse Zeit unter diesen Bedingungen arbeiten, jedoch wird die Lebensdauer dadurch sehr stark eingeschränkt. Der zuständige Entwickler sollte daher prüfen, ob das ausgewählte Netzteil auch unter Worst-case-Bedingungen sicher zu betreiben ist.

Einbausituation: Es ist naheliegend, dass ein konvektionsgekühltes Netzteil, welches noch dazu über Kopf eingebaut ist, unter anderen Temperaturbedingungen arbeiten muss als ein Netzteil mit den Bauelementen nach oben. Um den Einfluss unterschiedlicher Einbaulagen zu erfassen, gibt es prinzipiell drei Möglichkeiten:

  • Möglichkeit 1: Der Hersteller hat für bestimmte Bauteile Temperaturlimits vorgeben.
  • Möglichkeit 2: Der Hersteller bietet eine Applikationsnachstellung an, mit der er die Einsatzbedingungen des Kunden (wie Temperatur-, Einbau- und Lastbild) nachbildet. Er kann so mittels Messungen genaue Aussage treffen, ob das Netzteil unter diesen Bedingungen einzusetzen ist.
  • Möglichkeit 3: Der Hersteller hat bereits verschiedene Einbaubedingungen in seinem Datenblatt erfasst.

Sowohl eine abweichende Einbaulage als auch eventuell eine Abdeckung, die die freie Konvektion behindert, müssen zwingend berücksichtigt werden. Schnell entstehen dadurch Abweichungen von 10% bis 20% gegenüber der normalen Einbaulage. Besonders in solchen speziellen Einsatzsituationen ist der sicherste Weg zum optimal passenden Netzteil eine Applikationsnachstellung zusammen mit dem Hersteller.

Vor- und Nachteile von DC/DC-Wandler-Architekturen

Vor- und Nachteile von DC/DC-Wandler-Architekturen

19.03.18 - In Sachen DC/DC-Wandler mit ATX-Ausgängen teilt sich die technische Welt in zwei Lager. Die Kernfrage lautet: galvanisch getrennt oder galvanisch nicht getrennt? Der Artikel erörtert beide Topologien. lesen

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45569213 / Stromversorgungen)