Für Hersteller von Industriecomputern und Embedded-Systemen ist das perfekte Zusammenspiel von zwei Komponenten von zentraler Bedeutung: Netzteil und Mainboard. Systementwickler investieren deshalb sehr viel Zeit in die Suche, Auswahl und Qualifizierung einer zuverlässigen Kombination und in die anschließenden Testläufe. Ist das Mainboard erst einmal definiert, gilt es, das passende Netzteil zu finden. Die vielfältigen Fragestellungen und Anforderungen hinsichtlich Leistung, Sicherheit, Effizienz und Preis begegnen den Vertriebs- und Entwicklungsingenieuren des Stromversorgungsspezialisten Bicker Elektronik täglich in der Design-In-Beratung und Projektierung. Gemeinsam mit den Kunden geht es darum, die beste Lösung für eine spezifische Applikation zu finden. Bei IPC- und Embedded-Systemen ist ein ganzheitlicher Ansatz unumgänglich, d.h., es darf nicht nur die Stromversorgung isoliert betrachtet werden, sondern der Stromversorgungshersteller muss über den eigenen Tellerrand hinaus denken und zentrale Komponenten wie das Mainboard und dessen Eigenschaften in die Konzeption einbeziehen. Aus der langjährigen Erfahrung mit dieser Thematik entstand die Idee für das Power+Board-Programm von Bicker Elektronik mit Mainboards von Fujitsu, ASRock, Perfectron und Avalue (Bild 01). Dieser einzigartige Service für Systementwickler umfasst umfangreiche Tests im hauseigenen Labor (Bild 02). Hochwertige Industrie- und Medizin-Netzteile werden in Verbindung mit ausgewählten Mainboards auf „Herz und Nieren“ geprüft und so sichergestellt, dass diese Kombinationen perfekt zusammen passen. Der Kunde erhält alles aus einer Hand: Netzteil+Mainboard+Zubehör. Ebenso sind individuelle Tests spezifischer Kundenlösungen und Systeme möglich.
Reproduzierbare Tests
Bei den Labortests wird u.a. das Systemverhalten an den Belastungsgrenzen des Netzteiles sowie bei dynamischen Lasten analysiert. Eine zentrale Forderung des „Power Supply Design Guides“ ist die Einhaltung der Spannungstoleranzen an allen DC-Ausgängen. Kritisch werden diese Rahmenbedingungen für ein Schaltnetzteil immer dann, wenn es im Bereich seiner Minimal- bzw. Maximallast arbeitet oder hochfrequente Lastsprünge ausgleichen muss. Dynamische Laständerungen entstehen auf dem Mainboard, wenn die CPU vom energiesparenden Standby-Modus oder dem Leerlaufprozess (Idle-Mode) in einen rechenintensiven Zustand wechselt oder umgekehrt. Gleiches gilt für den teils stark schwankenden Leistungsbedarf von Grafikkarten und Peripheriegeräten. Dann ist die Regelung des Netzteiles gefordert, diese sprunghafte Laständerung innerhalb von Sekundenbruchteilen ohne signifikanten Einbruch oder Überschwingen der Ausgangsspannung nachzuregeln und somit innerhalb der definierten Grenzwerte zu bleiben. Anderenfalls kann es zu undefinierten Reaktionen oder gar Abstürzen des Rechnersystems kommen. Im Labor wird diese Situation mit dem jeweiligen Netzteil reproduzierbar getestet: Zusätzlich zur Stromversorgung des Testsystems mit Mainboard, CPU, Lüfter, RAM, SSD/HDD wird an den Netzteilausgängen jeweils eine pulsierende elektronische Last angeschlossen, welche Lastsprünge im Bereich von 1 – 10.000 Hz durchführt (Bild 03). Während der Messungen läuft auf dem Testsystem eine spezielle Testsoftware zur entsprechenden Systemauslastung. Die Messergebnisse zeigen schließlich, in welchem Toleranzbereich sich die Ausgangsspannungen der jeweiligen Power+Board-Kombination bewegen und stellen die Einhaltung der Grenzwerte sicher. Diese Problematik wird sich in den kommenden Jahren noch verschärfen, betrachtet man nur die aktuellen Entwicklungen hinsichtlich Schnittstellen-Standards wie beispielsweise USB Typ C: Pro Port können Geräte mit einer Leistung von bis zu 100 Watt spontan an- und abgesteckt werden.
Leistungsbedarf genau festlegen
Bei der Vor-Ort-Beratung und dem persönlichen Gespräch mit dem Systementwickler gilt es, den tatsächlichen Leistungsbedarf eines Systems so genau wie möglich zu definieren, um letztlich eine Über- oder Unterdimensionierung der Stromversorgung zu vermeiden. Zudem sollte auch die Frage des Wirkungsgrades geklärt und anschließend im Labor analysiert werden. Bei den Produktfeatures von Schaltnetzteilen wird oftmals der maximale Wirkungsgrad genannt, welcher in der Regel im mittleren Leistungsbereich liegt. Dieser Wert gilt dann schnell als absolutes Auswahl- und Kaufkriterium. Doch auch hier lohnt es sich, genauer hinzusehen und die realen Bedingungen zu untersuchen. Mit entsprechend automatisiertem Mess- und Softwareequipment kann im Labor wattgenau ein Effizienz-Profil jedes Netzteiles (Bild 04) erstellt und mit dem Lastprofil des Mainboards bzw. des Systems verglichen werden. Das Ergebnis der Untersuchung kann beispielsweise sein, dass Netzteil A mit einem maximalen Wirkungsgrad eff1 (max) = 91,5 % besser geeignet ist, als Netzteil B mit höherem eff2 (max) = 93,5 %. Warum? Weil das versorgte Mainboard mit allen Systemkomponenten die meiste Zeit im Bereich von 50-150 Watt und im Peak-Bereich ab 260 W arbeitet und hier das Netzteil A bessere Effizienz-Werte aufweist und somit mittel- und langfristig wesentlich weniger Energie verbraucht.
Mehrere Einzeltests beim Power+Board-Programm widmen sich zudem der Untersuchung des Einschalt- und Timingverhaltens (Bild 05). Die ATX-konformen Spannungen an den Netzteilausgängen müssen sich in einer definierten zeitlichen Abfolge zueinander aufbauen und innerhalb eines definierten Zeitfensters (Risetime) ihren nominalen Regelungstoleranzbereich erreicht haben. Die Einhaltung dieser zeitlichen Abläufe ist für das perfekte Zusammenspiel von Netzteil und Mainboard entscheidend. Parallel zu den Spannungen werden im Testlabor die Einschaltströme in ihrem zeitlichen Verlauf gemessen und analysiert. Im Einschaltmoment werden durch kapazitive Lasten in Form von Kondensatoren und Schaltreglern auf Mainboard und Systemkomponenten sehr hohe Ströme verursacht. Die erfassten Daten geben Aufschluss darüber, welche Einschaltspitzenströme das Netzteil innerhalb eines bestimmten Zeitabschnittes sicher liefern bzw. entsprechend begrenzen muss. Neben den definierten kapazitiven Lasten in der ATX-Norm ist vor allem das geschulte Auge und die Erfahrung des Testingenieurs bei der Beurteilung der Oszillogramme gefragt, da es gilt, kritische Anstiegsflanken und mögliche Konflikte sicher zu erkennen und zu beurteilen. Im schlimmsten Falle würde das Netzteil respektive das Gesamtsystem den Systemstart verweigern. So manifestiert sich auch im Einschalt- und Spitzenlastverhalten die Qualität eines Schaltnetzteiles und dessen Vermögen, derartige Extremsituationen zu meistern.
Auf Qualität achten
Eine entsprechend großzügige Auslegung der leistungselektronischen Bauelemente, ein ausgereiftes Schaltungsdesign und nicht zuletzt die Verwendung hochwertiger Komponenten, wie z.B. japanische Markenkondensatoren, sorgen dafür, dass sich ein Schaltnetzteil nicht ständig am Rande seiner Belastbarkeit befindet. Hinsichtlich derartiger Aspekte unterscheiden sich hochwertige Netzteile eindeutig von vermeintlich günstigen Schnäppchen, die in solchen Situationen buchstäblich in „Schall und Rauch“ aufgehen können und gleich noch die restliche Systemelektronik mit in den Abgrund reißen. Nur ein einziger System- und Anlagenausfall kommt Kunden am Ende oft teurer zu stehen, als die Investition in geprüfte und hochwertige Systemkomponenten – vom Vertrauens- und Ansehensverlust für den Systemhersteller ganz zu schweigen. Deshalb ist die individuelle Design-In-Beratung mit einer fundierten Analyse so wertvoll und die anschließende Auswahl passgenauer und langzeitverfügbarer Systemkomponenten so wichtig für eine schnelle, zuverlässige und kosteneffiziente Systementwicklung.
Weitere Informationen finden Sie unter: http://www.bicker.de/index.php/bicker/Produkte/Systemkomponenten
Firmenprofil Bicker Elektronik GmbH
Die 1994 gegründete Bicker Elektronik GmbH entwickelt, fertigt und vertreibt Stromversorgungen, USV-Systeme und Systemkomponenten. Das Unternehmen konzentriert sich mit seinem Produkt-Portfolio auf qualitativ hochwertige Powerlösungen für die Bereiche Industrieautomation, Medizintechnik, Transportation, Maritim, Kommunikations- und Informationssysteme sowie Infotainment und Gaming. Dazu gehören nicht nur Netzteile im klassischen Sinne, sondern auch gekapselte Netzmodule, DC/DC-Wandler, Hutschienen-Netzteile und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) mit DC- oder AC-Speisung. Der Leistungsbereich dieser Power-Produkte liegt zwischen 3 W und 10.000 W. Abgerundet wird das Lieferprogramme von Bicker Elektronik durch passende Industrie-Mainboards der Hersteller Fujitsu, ASRock, Perfectron und Avalue. Das Unternehmen ist TÜV zertifiziert nach ISO 9001:2008.
Text: Karsten Kopka, Bicker Elektronik; Bilder: Bicker Elektronik, Fujitsu, ASRock, Avalue
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