Darstellung der Datenblatt- werte von - All

StromverSorgungen
Für AC/DC- und zum teil auch DC/DC-Wandler
Darstellung der Datenblattwerte von Stromversorgungen
Warum haben anscheinend gleiche Stromversorgungen signifikante unterschiede
bei Performance und Zuverlässigkeitsdaten? Die Antwort kann darin begründet
sein, dass verschiedene Details in manchen Datenblättern nicht oder nur in ausführlichen Datenblättern bzw. Applikationsschriften aufgeführt sind, oder auch in der
Art und Weise wie die Daten im einzelnen dargestellt werden. um dies aufzuzeigen
werden die typischen Daten bei AC/DC-Wandlern betrachtet, wobei viele dieser
Punkte auch für DC/DC-Wandler gelten.
AC/DC-Wandler verfügen typischerweise
über einen Weitbereichseingang von 85
oder 90 VAC bis 264 VAC. Dieses Feature
erlaubt den weltweiten Betrieb ohne Eingriff bzw. Änderung im Eingangskreis.
Manche Geräte bieten eine automatische
Eingangsspannungsumschaltung, mit
zwei Bereichen von 90 bis 132 VAC & 180
bis 264 VAC, wobei Geräte mit Weitbereichseingang bei Einbrüchen der Versorgungsspannung im Bereich zwischen 132
und 180 VAC normale Funktion bieten, was
unter Umständen einen Vorteil darstellt.
Wenn das Netzteil in der Applikation mit
nahezu Volllast verwendet wird, ist es
wichtig die verfügbare Leistung bei minimaler Eingangsspannung zu prüfen, da
manche Geräte in diesem Betriebsfall ein
Derating von 20 oder 30 % aufweisen. Dies
wiederum bedeutet, dass sie unter Umständen bei 100 VAC oder 115/120 VAC außerhalb der spezifizierten Daten betrieben
oder die Entwicklungsrichtlinien der Gesamtanwendung nicht eingehalten werden können. Bei Nichtbeachtung des Deratings und damit der verfügbaren,
zulässigen Leistung ergibt sich ein negativer Einfluss auf die Zuverlässigkeit und
die Lebensdauer des Netzteils und dadurch auch des Gesamtgerätes.
Diese Leistungsrücknahme bei niedriger
Eingangsspannung ist bei sehr kostengünstigen Netzteilen mit Weitbereichseingang
˘ Autor
Gary Bocock ist
Technischer Direktor
der XP Power.
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verbreitet und in den Leistungseinschränkungen des PFC-Schaltkreises begründet.
erdableitstrom
Der Erdableitstrom ist bei verschiedenen
Geräten sehr unterschiedlich. Er beruht auf
dem internen EMV-Filteraufbau und ist
normalerweise nur bei Medizinapplikationen oder bei der Verwendung von mehreren Netzgeräten von Interesse. Des weiteren ist es wichtig den Wert beim Einsatz
von externen Filtern zur Verbesserung der
EMV des Gesamtgerätes zu kennen.
einschaltstromstoß
Der Einschaltstromstoß eines Netzteils ist
durch seinen Einfluss auf die Auswahl von
Sicherungen, Filtern oder Schaltern ein
wichtiger Punkt. Der maximal auftretende
Einschaltstromstoß ist normalerweise im
Datenblatt spezifiziert, wobei hier mehr
als nur ein einfacher Maximalwert wissenswert ist.
Bei extrem kostengünstigen Geräten oder
Geräten mit geringer Leistung wird die Begrenzung des Einschaltstromstoßes in der
Regel mittels NTC realisiert. Dies bietet aber
nur den Schutz beim erstmaligen Einschalten, da er nach dem Abschalten längere Zeit
zum Abkühlen benötigt und er erst danach
wieder seinen „Kaltwiderstand” erreicht.
Dies ergibt bei Ein-/Ausschaltzyklen, auch
mit längeren Wartezeiten, den vielfachen
Wert des maximal spezifizierten Einschaltstromstoßes. Der Einschaltstromstoß ist
normalerweise bei einer Temperatur von
25 °C spezifiziert, und liegt demzufolge bei
höheren Temperaturen selbst beim erstmaligen Einschalten deutlich höher.
Um unnötige Verlustleistung zu vermeiden
wird bei Geräten mit höherer Leistung der
NTC überbrückt, nachdem die Ausgangsspannung ihren Nennwert erreicht hat.
Die Beachtung des Einschaltstromstoßes
ist unabdingbar um das fehlerhafte Auslösen von Sicherungen und Schaltelementen
zu verhindern und um die Erhöhung der
Lebensdauer von Schaltern und Filtern zu
erreichen. Die in manchen Datenblättern
angegebenen Sicherungswerte sind die
Werte der intern eingebauten Sicherungen,
welche nur im Fehlerfall auslösen und nicht
durch den Anwender austauschbar sind.
Bei der Festlegung des Sicherungswertes
werden der nominale Eingangsstrom im
Betrieb, der Einschaltstromstoß und die
Alterung berücksichtigt. Die vorgeschaltete Sicherung ist dementsprechend ebenfalls so auszulegen, dass sie nur im Fehlerfall auslöst, da eine Überlast auf der
DC-Seite des Gerätes durch die Strombegrenzung bzw. den Überlastschutz des
Netzteils abgesichert ist.
Überlastschutz
Alle Stromversorgungen bieten Überstrom- bzw. Überlastschutz, um sowohl
das Gerät als auch die interne und externe
Verdrahtung vor Überhitzung zu schützen.
Sie ist in verschiedenen Ausführungen und
Charakteristiken möglich.
Bei Geräten mit kleineren Leistungen ist Trip
und Restart oder Hiccup Modus üblich, da
dies eine kostengünstige Möglichkeit darstellt und hierzu die Funktionen der primärseitigen Steuer-ICs verwendet werden können. Trip und Restart Charakteristik ist in der
Regel nicht geeignet um höhere Spitzenströ-
elektronik industrie 3 - 2009
Stromversorgungen
me zu liefern, wie sie beim Betrieb von elektromechanischem Equipment, Lampen oder
Anwendungen mit größeren Kapazitäten
erforderlich sind. Beim Anlauf gegen solche
Lasten sind die Geräte relativ unzuverlässig,
auch mit durch die Unterschiede von Gerät
zu Gerät in der Serie. Ebenso ist es mit dieser
Überlastcharakteristik auch nicht möglich
Batterien zu laden. Um diese Art von Lasten
zu versorgen, ist eine U-I-konstant Charakteristik erforderlich.
Remote Sense
Applikationen mit geringer Versorgungsspannung und hohem Strom profitieren
von Geräten die über Senseanschlüsse
verfügen, mit denen die Spannung an der
Last gemessen wird. Dieses Feature ist bei
besonders variablen Lasten erwünscht.
Bei relativ konstanter Last ist die manuelle Einstellung der Spannung meist ausreichend. Dies hat allerdings bei Geräten mit
mehreren Ausgangsspannungen und
drosselgeregelten Zusatzspannungen den
Nachteil, dass sich die anderen Spannungen um den gleichen Prozentsatz wie die
Hauptspannung verändern.
Ausgangsspannungsgenauigkeit und
Mindestlast
Die Genauigkeit der Ausgangsspannung
oder Regelung ist bei verschiedenen Herstellern in unterschiedlichster Weise ­spezifiziert.
Sie sollte Netzregelung, Lastregelung, Kreuzregelung (bei Mehrfachspannungsgeräten),
Abweichung bei Lastsprüngen, Einstellgenauigkeit und Temperaturkoeffizient
umfassen. Diese Parameter können über die
Änderungen des Eingangs, der Last, der Laständerungen sowie des Temperaturbereichs usw. spezifiziert werden. Obwohl
diese Daten in verschiedener Form dargestellt werden können, haben die meisten
Geräte mit Singleausgang vergleichbare
Performance. Die Betrachtung bei Geräten
mit Mehrfachausgängen ist hier wichtiger,
da hier die Performance sehr unterschiedlich
sein kann.
Geräte mit Singleausgang benötigen selten Grundlast. Bei Geräten mit mehreren
Ausgangsspannungen ist oft bei einem
oder mehreren Ausgängen eine Grundlast
erforderlich und dies sollte im Datenblatt
klar dargestellt werden. Grundlasten werden normalerweise zur Minimierung der
Kreuzregelung und zur Einhaltung der
spezifizierten Daten der Ausgangsspannungen benötigt. Diese Grundlasten müssen beim Systemdesign berücksichtigt
werden, und falls erforderlich müssen zusätzliche Maßnahmen zu deren Einhaltung vorgesehen werden.
Durch die Erfordernisse der Reduzierung
der Standbyleistung bzw. Leerlaufstromaufnahme bedeutet das Einbringen von
Grundlasten ein Problem bei der Systemperformance. Dies erfordert andere Lösungen, speziell bei Applikationen mit geringerer Leistung in denen weitere Features
wie Inhibit gefordert werden, bei denen
diese durch die geforderten Marktpreise
und den überwiegenden Einsatz pri- ˘
Stromversorgungen
märseitiger Kontroll-ICs praktisch nicht
verfügbar sind.
Ausgangsripple und Noise
Ripple & Noise ist eine der Produkteigenschaften, welche am meisten Interpretationsspielraum zulässt und einen Vergleich
nur auf Basis der Datenblattwerte sehr
schwierig, wenn nicht sogar unmöglich
macht. Die Hauptunterschiede sind die
Bandbreite der Messung, die verschiedenen
geforderten externen Bauteile und die Mess­
methode. Der einzig richtige Weg diese Eigenschaft zu vergleichen, ist die Geräte
unter gleichen Bedingungen zu messen.
Wirkungsgrad
Die meisten Datenblätter bieten beim
Wirkungsgrad eine Angabe, welche dem
Anwender ermöglicht die Verlustwärme
innerhalb des Gesamtgerätes zu berechnen. Der Wirkungsgrad eines Netzteils
variiert jedoch in Abhängigkeit von der
Last und der anliegenden Eingangsspannung, so dass es wichtig ist den Wirkungsgrad unter den tatsächlichen Last- und
Eingangsspannungsbedingungen zu kennen. Der Wirkungsgrad ist typischerweise
bei geringer Eingangsspannung niedriger
als bei hoher Spannung und kann um bis
zu 6 ... 7 % variieren. Daher ist wichtig den
kleinstmöglichen Wirkungsgrad zu kennen, um die maximal mögliche Verlustleistung des Gerätes bestimmen zu können.
Die treibenden Kräfte bei der Netzteil­
entwicklung sind die Verbesserung des
Wirkungsgrads zur Verringerung der Abmessungen und die Reduktion der Leistungsaufnahme. Dies wird auch durch die
in Gesetzen wie Energy Star, CEC, EISA und
EUP geforderte Reduzierung der Standbyleistung bzw. Leerlaufstromaufnahme und
der Erhöhung des durchschnittlichen Wirkungsgrads forciert. Angaben zur Leistungsdichte werden vermehrt von Netzteil- und DC/DC-Wandler Herstellern
verwendet, um Technologie- und Wirkungsgradverbesserungen zu demonstrieren. Beim Vergleich der Leistungsdichteangaben ist es wichtig, dass die Geräte
vergleichbare Spezifikationsdaten aufweisen und nicht zusätzliche externe Bauteile zur Einhaltung verschiedener Spezifikationspunkte benötigen.
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Bild 1: Das 3 ″ x 5 ″ große Netzteil CLC 175 von XP
Power liefert 175 W bei nur 10 CFM Luftstrom.
Zuverlässigkeit, Temperatur & Kühlung
In der Regel wird die Zuverlässigkeit von
Netzteilen als MTBF angegeben. Die MTBF
Berechnung wird normalerweise auf den
zu erwartenden Ausfällen der im Gerät
eingesetzten Bauteile vorgenommen.
Beim Vergleichen der MTBF von verschiedenen Geräten sind einige Schlüsselparameter zu prüfen um sicher zustellen, dass
die Werte wirklich vergleichbar sind. Als
Erstes muss sichergestellt sein, dass die
Berechnungsmethode gleich ist. Typische
Methoden sind die MIL217 mit ihren Revisionsständen und Bellcore RPP (nun Telcordia Technologies). Diese beiden Methoden ergeben unterschiedliche Resultate
und sind nicht miteinander vergleichbar.
Wenn die MTBF-Berechnung mit derselben Methode durchgeführt wurde, muss
sie um wirklich vergleichbar zu sein unter
gleichen Umgebungsbedingungen durchgeführt werden, um für den Anwender ein
verwertbares Ergebnis zu ergeben.
Der maßgebliche Faktor für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer bei Netzteilen ist
die Umgebungstemperatur und die Wirksamkeit der Kühlung. Bei konvektionsgekühlten Geräten muss genügend Raum um
das Geräte herum vorhanden sein um die
Entwärmung zu ermöglichen. Bei Geräten
welche forcierte Belüftung benötigen ist
sicherzustellen, dass das Gerät in der Gesamtapplikation korrekt gekühlt wird. Hersteller bieten vermehrt Messpunkte innerhalb des Netzteils an, damit der Anwender
sicherstellen kann, dass das Gerät sowohl
sicher und zuverlässig betrieben wird, als
auch um eine entsprechende Lebensdauer
zu gewährleisten. Thermische Daten werden unter Berücksichtigung des Deratings
häufig bis zu Umgebungstemperaturen
von 60 bis 70 °C angeboten. Diese Daten
sind jedoch sorgfältig zu betrachten, da bei
manchen Geräten das Derating bereits bei
40 °C einsetzt. Bei den meisten Geräten von
XP setzt das Derating bei 50 °C ein, bei manchen sogar erst bei 60 °C. Des weiteren ist
unbedingt zu beachten, dass die tatsächliche Umgebungstemperatur eines Gerätes
beim Einbau in ein Gehäuse deutlich höher
sein kann, als die Umgebungstemperatur
der Gesamtapplikation.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist der zur
Kühlung erforderliche Luftdurchsatz. Hier
ist zu beachten, dass bei manchen Geräten
ein Luftdurchsatz von z. B. 20 ... 30 CFM
gefordert wird, was sehr schwierig realisierbar ist. Als Richtwert sollte man auf
einen geforderten Luftdurchsatz von weniger als 15 CFM Wert. XP Geräte benötigen
typischerweise nur 10 ... 13 CFM.
EMV
In Datenblättern sind ebenfalls EMV-Spezifikationen aufgeführt. Bei Open Frame
Geräten sind dies die Angaben für leitungsgebundene Störungen/Beaufschlagungen
und nur manchmal Informationen zu abgestrahlten Störungen/Beaufschlagungen.
Da bei manchen Geräten zusätzliche Bauteile erforderlich sind um die beschriebenen Daten einzuhalten, ist dieser Punkt bei
der Auswahl zu berücksichtigen. In Datenblättern von Tisch- und Steckernetzteilen
müssen sowohl die Daten für leitungsgebundene als auch abgestrahlte Störungen/
Beaufschlagungen aufgeführt sein, da dies
Standalone-Geräte sind und ohne weitere
Maßnahmen verwendet werden können.
In der Regel werden die Prüfungen mit
ohmscher Last durchgeführt, was in der
Endanwendung eher unwahrscheinlich ist.
Daher ist es von Vorteil, bei der Geräteauswahl ein Netzteil mit lokalem Applikationssupport und Testmöglichkeiten zu wählen,
um während der Entwicklung die ggf. erforderliche Unterstützung zu erhalten.(jj)
˘ infoDIRECT
502ei0309
˘ Link zu XP Power
www.elektronik-industrie.de
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