Stromversorgung für den IPC: als Bundle geprüft und optimiert

| Autor / Redakteur: Heidrun Seelen * / Gerd Kucera

Bei der Auswahl einer Stromversorgung sind viele Faktoren zu berücksichtigen und nach Priorität zu bewerten.
Bei der Auswahl einer Stromversorgung sind viele Faktoren zu berücksichtigen und nach Priorität zu bewerten. (Bild: Magic Power)

Eher sorgenfrei geschieht in der Geräteentwicklung die Auswahl der Stromversorgung. Doch Vorsicht – es geht um vieles mehr als nur um Strom und Spannung. Deshalb kommt jetzt Hilfe aus dem Profi-Lager.

Es könnte so einfach sein: Man suche sich das geeignete Motherboard, die passenden Systemkomponenten und ein x-beliebiges Netzteil aus, baut es zusammen und fertig ist der Rechner für den professionellen Einsatz. Wer das glaubt, der irrt sich. Das funktioniert nur im privaten Bereich, dort, wo deutlich geringere Anforderungen an die Hardware gestellt werden. Im industriellen und medizinischen Einsatzfeld sind zahlreiche Eigenschaften essentiell und vielfach auch vorgeschrieben.

Beispiele dafür sind: stabiler 24/7-Betrieb, erweiterter Temperaturbereich, Schutzart (z.B. IP65), lüfterloser Systemaufbau, EMV-Auslegung hinsichtlich Industrie-Emissionen, lange Lebensdauer und Zuverlässigkeit und langjährige Verfügbarkeit der eingesetzten Komponenten.

Mit der korrekten Auswahl jeder Einzelkomponente steht und fällt das Konzept eines leistungsfähigen Gesamtsystems. Dazu ist die Bewertung der Gesamtsituation nötig, die spezielle Fachkenntnisse der Thematik erfordern. Erfahrungsgemäß haben Entwicklungsabteilungen hierfür nicht immer ausreichend Ressourcen zur Verfügung. Das betrifft auch das Zeitfenster zur Geräteentwicklung und die entsprechende Laborausstattung. Die Unterstützung durch erfahrene Experten zeigt sich nicht selten als der rettende Weg, um Entwicklungsziele pünktlich und im vorgegebenen Kostenrahmen zu erreichen. Warum nicht gleich diesen Weg einschlagen?

Aus der Erfahrung mit Entwicklern heraus haben Magic Power Technology als Netzteilhersteller und TRS-STAR als System- und Lösungsanbieter aufeinander abgestimmte Bundles aus Stromversorgung, Motherboard und Speicherlösungen vorab getestet und liefern diese individuell auf Wunsch aus. Die Hardware-seitige Unterstützung kann je nach Kundenwunsch sogar bis auf die Lieferung der passenden Kabelsätze erfolgen. Software-seitig gehören kundenspezifische Programm- und Bios-Anpassungen zum Leistungsumfang. Damit erhält der Anwender ein Gesamtsystem, das den vorgegebenen Anforderungen in Bezug auf Kenndaten, Preis und Verfügbarkeit entspricht. Nachfolgend wird ein typischer Ablauf und die sich ergebenden Handlungsempfehlungen bei der Zusammenstellung von PC-Komponenten/Netzteil-Bundles vorgestellt.

Die schnelle und richtige Auswahl der PC-Komponenten

Mainboard und Chip-Satz: Zum Test eines leistungsstarken Bundles wurde das Mini-ITX-Motherboard Avalue EMX-Q170KP mit Q170-Chipset für Core i3/i5/i7- und Celeron-Prozessoren ausgewählt. Der Formfaktor entspricht dem gängigen Standard für industrielle Motherboards und wurde auf Basis neuester Embedded-Technologien entwickelt. Der Q170-Chip-Satz unterstützt SSD-Platten in verschiedenen Formfaktoren, etwa M.2 mit SATA-Schnittstelle. Da er auch schnelle 3.0 PCIe Lanes zur Verfügung stellt, gibt es bei der Grafikleistung keine Einbußen. Die zahlreichen Schnittstellen (VGA, HDMI, DP, LVDS) machen das Board für vielseitige Anwendungen in industriellen Automatisierungs-, Mess- und Steuerungssystemen interessant. Neben allen rein technischen Gesichtspunkten ist Avalue auf Industrieanwendungen spezialisiert und legt daher Wert auf langfristige Verfügbarkeit.

Arbeits- und Festspeicher: Beim Arbeitsspeicher fällt die Wahl auf ein ADATA-Modul (ADDI1600W4G11-B DDR3) mit einer Übertragungsbandbreite von 12,8 Gbit/s (PC3L 12800) im erweiterten Temperaturbereich, niedrigem Stromverbrauch, niedrigen Latenzzeiten und höchster Zuverlässigkeit. Als Flashspeicher kommt ebenfalls ADATA (IM23328E M.2 2280) mit 256 GByte zum Einsatz. Der erweiterte Temperaturbereich ist -40 bis 90 °C für anspruchsvolle industrielle Applikationen. Das MLC-basierte SSD-Laufwerk verbessert Leistung, Stabilität und Lebensdauer gegenüber herkömmlichen Lösungen und ist ein Kompromiss zwischen funktionaler Leistung und Kosten. Für Applikationen mit höheren Anforderungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Kapazität bietet ADATA entsprechende SSDs mit kleinerem Formfaktor in Flash Technologie an (3D TLC NAND).

Prozessor und Grafik: Als Prozessor kommt der i7- 7700K mit 4, 2 GHz Taktfrequenz und optimierter Kaby-Lake-Architektur zum Einsatz. Mit der verbesserten Onboard-Grafikeinheit und der schnellen Basistaktung bestehen auch für die Zukunft ausreichende Erweiterungs- und Adaptierungsmöglichkeiten für das Gesamtsystem. Diese Komponenten sind geeignet für den anspruchsvollen industriellen Einsatz in den Anwendungen IoT, Automatisierung und Digital Signage.

Für andere Einsatzgebiete gelten wiederum andere normative Vorgaben. Dies betrifft immer auch das Bundle aus Embedded Board und Stromversorgung. Anwendungen der Medizintechnik müssen beispielsweise die Norm EN/UL60601 erfüllen.

In der Praxis treffen die Applikationsingenieure von Magic Power Technology und TRS-STAR eine Vorauswahl. Hier finden sowohl die spezifischen technischen Anforderungen als auch die Marktanforderungen hinsichtlich des Preises und der Performance Berücksichtigung. Bei komplexen Systemen werden zusätzlich immer auch die Einzelkomponenten angepasst.

Bild 1: Die Hochlaufphase. Kanal 1 (gelb) zeigt 
die Netzspannung. 
Kanal 2 bis5 zeigen die Spannungsausgänge 
3,3 V/5 V/12 V/-12 V. 
Kanal 6 (ocker) ist das PG/PF-Signal (kippt später auf High) und Kanal 7 (violett) visualisiert On/Off oder das PSon-Signal.
Bild 1: Die Hochlaufphase. Kanal 1 (gelb) zeigt 
die Netzspannung. 
Kanal 2 bis5 zeigen die Spannungsausgänge 
3,3 V/5 V/12 V/-12 V. 
Kanal 6 (ocker) ist das PG/PF-Signal (kippt später auf High) und Kanal 7 (violett) visualisiert On/Off oder das PSon-Signal. (Bild: Magic Power)

Die Auswahl der optimalen Stromversorgung

Bei der Stromversorgung sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen und hinsichtlich Priorität zu werten. Zu den wichtigen Fragen gehört: Ist ein Single- oder Multispannungsnetzteil vorteilhaft? Grundsätzlich erhöht ein Netzteil mit Mehrspannungsausgang die Betriebssicherheit und die Zuverlässigkeit. Die einzelnen Ausgänge lassen sich an den Bedarf der Subsysteme anpassen. Überlastzustände der einzelnen Stränge sind damit schneller und zuverlässiger detektiert und die Ausgänge entsprechend ausgeregelt. Zudem verursachen die kleineren Ströme eine geringere Störeinstreuung zwischen den einzelnen Strängen. Für Applikationen, in denen weitere zusätzliche Aktoren oder Lasten auf z.B. der 5-V-Schiene betrieben werden, ist auf jeden Fall der Einsatz eines Netzteils mit Multispannungs-Ausgang zu empfehlen.

Dagegen bietet das Netzteil mit Single-Ausgangsspannung systembedingt Einsparpotenzial bei Überlastschutz und Leitungsführung. Zudem ist der Anwender bei der Auswahl einzelner Komponenten mit höherer Ausgangsleistung weniger limitiert, da das Netzteil je Ausgangsspannung grundsätzlich die volle Ausgangsleistung zur Verfügung stellt. Bei der Abwägung der Vor- und Nachteile eines abgestimmten, optimierten Gesamtsystems geht die Tendenz daher oftmals zum Multispannungsnetzteil. In letzter Instanz sind jedoch immer die individuellen Anforderungen der Applikation entscheidend. Speziell bei einem Netzteil mit ATX-Ausgang sind die Prüfungen recht umfangreich. Einen wichtigen Anhaltspunkt bieten das Handbuch des Motherboards sowie der „Desktop platform form factors power supply design guide“ von Intel. Hier findet man unter anderem das „Power Supply Timing“, also den sequentiellen Ablauf der Ausgangsspannungen und der Signale. Als Beispiel für diesen Artikel wurden am konkreten Bundle die wichtigen Zustände Hochlauf und Netzausfall vermessen.

Bild 2: Netzausfall mit einer vollen Welle (20ms) ohne Auswirkungen auf den Betrieb des Systems.
Bild 2: Netzausfall mit einer vollen Welle (20ms) ohne Auswirkungen auf den Betrieb des Systems. (Bild: Magic Power)

Hochlauf: Nach dem Anlegen der Netzspannung erzeugt das Netzteil zuerst nur eine 5-V-stand-by-Spannung. Diese versorgt das Motherboard. Wird nun der Startknopf gedrückt, überbrückt das Motherboard dauerhaft den On/Off-Pin des Netzteils gegen Masse. Mit diesem Signal startet das Netzteil seine Hauptspannungen 3,3/5/12 und -12 V. Hier ist es laut Intel guide wichtig, dass die 12 V schon beim Hochlauf immer einen höheren Wert als die 3,3 und 5 V aufweist. Wenn diese Spannungen ihr Soll erreicht haben, kippt das Power Good/Power Fail Signal (PG/PF) von Low auf High (=PSon) und signalisiert dem Board, dass es mit der Startsequenz fortfahren kann. Ab diesem Zeitpunkt ist für das Netzteil der stabile Betriebszustand erreicht.

Bild 3: Kompletten Netzausfall zeigt das PG/PF-Signal (ocker).
Bild 3: Kompletten Netzausfall zeigt das PG/PF-Signal (ocker). (Bild: Magic Power)

Netzausfall: Während bei einem normalen Ausschalten das Board nur das On/Off-Signal wieder auf High setzt, gibt es bei einem unbeabsichtigten Netzausfall die zwei Varianten Einbruch und Komplettausfall. Bei einem kurzfristigen Ausfall bricht die Spannung für maximal eine Vollwelle ein (20 ms). Dies kann z.B. dann passieren, wenn eine Offline-USV vom AC-Modus in den USV-Modus umschaltet. Das Netzteil muss in dieser Situation die Ausgangsspannung stabil halten, bis die USV den weiteren Betrieb der AC-Seite übernimmt. Bei einem kompletten Ausfall der AC-Seite hat das Netzteil die Aufgabe, ein Warnsignal an das Board zu senden. Dies erledigt das PG/PF-Signal in seiner Funktion als Power-Fail-Signal. Es kündigt dem Rechner mit mindestens 1 ms Vorwarnzeit das Zusammenbrechen der Ausgangsspannung an.

Welche Leistungsklasse die richtige ist

Single-Ausgangsspannung: Hier ist die Ermittlung der richtigen Leistungsklasse deutlich einfacher als bei Multispannungsausgängen. Man kann entweder alle Worstcase-Leistungsanforderungen der einzelnen Komponenten aufsummieren oder entsprechende Messungen durchführen. Wir entscheiden uns, den Leistungsbedarf des Bundles durch Messungen zu ermitteln:

  • Idealerweise setzen wir hierzu Stromzange und Oszilloskop im Ausgang ein, um auch die zeitlichen Aspekte des Lastverlaufs zu berücksichtigen.
  • Für die Ermittlung der Durchschnittsleistung kann in grober Annäherung auch ein Wattmeter auf der Eingangsseite verwendet werden (ein Beispiel dazu am Ende des Artikels).

ATX-Ausgangsspannungen: Schwieriger wird die Ermittlung der passenden Leistungsklasse, wenn ein ATX-Netzteil zum Einsatz kommt. Dieses versorgt gleichzeitig mehrere Komponenten, die u.U. in unterschiedlichen Modi betrieben werden. Es gibt folgende Rechenwege:

  • Die einzelnen Worstcase-Bedürfnisse werden pro Ausgangsspannung und Komponente addiert. In der Regel erhält man auf diesem Weg aber deutlich zu hohe Werte. Dies führt dazu, dass oftmals ein unnötig großes und teures Netzteil ausgewählt wird.
  • Wir führen für unser Bundle eine simultane Leistungsanalyse über alle vier Ausgangsspannungen durch. Als Beispiel wählen wir das MPI-822H, das 170 W im Konvektionsmodus und 220 W mit Lüfterkühlung liefert. Dieses Industrie-ATX-Netzteil mit 1HE- Formfaktor ist sowohl für hohe Leistungen auf den 3,3- und 5-V-Kanälen als auch für Systeme mit hohem 12 V Bedarf gut geeignet.
  • Für die optimale Netzteilauswahl ist es wichtig, dass die einzelnen Kanäle eine deutlich höhere Dauerleistung als nominal liefern können, wenn gleichzeitig die anderen Ausgänge weniger belastet werden. Dies schafft Leistungsreserven.

Speziell bei kleineren Systemen (z.B. in IP65-Anwendungen oder in der Medizintechnik) sind zwangsbelüftete Lösungen nicht zulässig. Hier muss bei der Netzteilauswahl sichergestellt werden, dass die einzelnen Komponenten nicht überhitzt werden.

EMV – ein entscheidendes Thema von Anfang an

Zu berücksichtigen sind bei der EMV sowohl die Emissionen als auch die Immissionen. Mit der Grenzwertkurve B der Emissionen gelten für Industrie- und Konsumanwendungen in den meisten Fällen identische Grenzen. Dagegen sind die Immissionsgrenzwerte für Industrieanwendungen deutlich schärfer. Dies ist einfach nachzuvollziehen. Es ist ein grundlegender Unterschied, ob ein Rechner zu Hause am unbelasteten Netz angeschlossen oder in ein Industrienetz eingebunden ist. In häuslicher Umgebung sind die Folgen im Havariefall in aller Regel überschaubar. Ganz anders sind die Auswirkungen bei einem Industrie-PC. Wird dieser z.B. in der Nähe Frequenzumrichtern betrieben, muss er hohen Burst-Paketen und anderen von außen kommenden Störungen standhalten können. Ein Fehler führt neben Kosten unter Umständen auch zu Personenschäden.

Da bei Bundles der Distributor und der Netzteilhersteller die Komponenten bereits miteinander vorvermessen haben, ist die Wahrscheinlichkeit für eine komplikationsarme EMV-Prüfung sehr groß. Bei Rückfragen gibt es zudem nur einen Ansprechpartner, der die Bundle-Lösung im Detail kennt.

Tests und Messungen als Dienstleistung

Welche Messungen werden bei Tests und Messungen mit dem Komplettpaket als Dienstleistung durchgeführt? Die Vorprüfungen umfassen je nach Bundle unter anderem: Leistungtests im Standard- und Worstcase-Betrieb, Prüfung der Regelungs-/Spannungstoleranzen, Tests des Temperaturverhaltens, EMV-Vormessungen der Emissionen und Immissionen im Gesamtsystem sowie Funktionsprüfungen.

Praxisbeispiel: die Lösung eines Problems

Bild 4: Abschalten des leistungsschwächeren Netzteils durch kurzeitigen Peak-Strom von knapp 10 A auf der 12-V-Strecke 
(gelb = 5-V-Spannung, türkis = 5-V-Strom, 
pink = 12-V-Spannung, blau- = 12-V-Strom.
Bild 4: Abschalten des leistungsschwächeren Netzteils durch kurzeitigen Peak-Strom von knapp 10 A auf der 12-V-Strecke 
(gelb = 5-V-Spannung, türkis = 5-V-Strom, 
pink = 12-V-Spannung, blau- = 12-V-Strom. (Bild: Magic Power)

Im Versuchsaufbau wurden die PC-Komponenten zusammen mit zwei verschiedenen ATX-Netzteilen vermessen. Vorab wurde die Summenleistungsaufnahme im üblichen Windows-Betrieb ermittelt, und zwar durch Messungen auf der Primärseite des Netzteils. Sie betrug 20 bis 25 W. Davon entfallen etwa 18 bis 23 W auf das mini-ITX-Board.

Zwei Stromversorgungen im Vergleich: Zu Beginn wählte der Anwender eine kleine Stromversorgung mit etwa 60 W aus. Entsprechend der Leistungsanforderungen der Komponenten war sie ausreichend dimensioniert. Jedoch traten beim Hochlaufen des Systems sporadisch Fehler auf, indem das Board von selbst wieder bootete (Bild 4). Diverse BIOS-Einstellungen, Komponentenänderungen und anderes brachten keine Abhilfe. Anschließend wurde derselbe Versuchsaufbau mit einem leistungsstärkeren ATX-Netzteil komplettiert, hier mit dem MPI-822H. Bei erneuten Messungen lief alles fehlerfrei und ohne Abschalten durch (Bild 5).

Bild 5: Hochlauf eines passenden Netzteils mit Berücksichtigung der Peak-Ströme auf der 12-V-Strecke.
Bild 5: Hochlauf eines passenden Netzteils mit Berücksichtigung der Peak-Ströme auf der 12-V-Strecke. (Bild: Magic Power)

Ursache und Lösung des Problems: Mit einem Wattmeter wurde der Leistungsbedarf noch einmal messtechnisch überprüft. Auf der AC-Seite angeschlossen, zeigte es beim Booten Peak-Leistungen von maximal 40 bis 45 W. Das Netzteil hat also genug Leistungsreserve. Erst bei detaillierten Messungen der einzelnen Kanäle zeigte sich, dass das Board kurzfristig einen hohen Strom von auf der +12-V-Schiene benötigt. Das leistungsschwächere Netzteil detektierte dies als Fehler und schaltete ab. Das leistungsstärkere Netzteil dagegen konnte die Peak-Last gut abfangen. Die Messung mit dem Wattmeter auf der Eingangsseite schlug fehl, weil dies zu träge auf die Spitzen reagierte. Erst die separate Betrachtung der 5- und 12-V-Kanäle zeigte die Stromspitze.

An diesem Beispiel wird deutlich, wie wichtig es ist, dass PC-Komponenten und Netzteil aufeinander abgestimmt sind. Oftmals können erst bei der detaillierten Messung mit speziellen Messgeräten Besonderheiten sichtbar gemacht werden. Ein weiterer Vorteil für die optimierte Lösung ergibt sich durch das Bestellen möglichst viele Komponenten aus einer Quelle. Dies führt neben der Optimierung des Beschaffungs- und Lieferanten-Managements auch oftmals zu einer signifikanten Senkung der Einstandspreise und der Prozesskosten. Darüber hinaus vorteilhaft ist der verbesserte logistische Support, da der Systemlieferant die logistische Abstimmung der Einzelhersteller übernimmt und mit seiner Übersicht des Marktes etwaige Lieferengpässe ausgleichen kann.

Fazit: Letztendlich erhält der Anwender ein vorgetestetes Gesamtpaket aus den zentralen Systemelementen, das bereits in der Projektierungsphase durch Produktspezialisten auf die jeweiligen Anforderungen ausgerichtet wurde und dies in der Regel auch noch zu einem besseren Preis als bei Bezug der Einzelkomponenten.

Praxistipp: Technische Kriterien zur Netzteilauswahl

Praxistipp: Technische Kriterien zur Netzteilauswahl

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

* Dipl.-Ing Heidrun Seelen ist Vertriebsleiterin bei Magic Power Technology.

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