Oft wird der Stromversorgung in einer Gesamtapplikation nicht die nötige Aufmerksamkeit geschenkt und kurz vor Abschluss der Entwicklung unter Zeitdruck ein Schaltnetzteil ausgewählt, ohne die Rahmenbedingungen und daraus resultierenden Parameter zu prüfen. Da aber gerade die Stromversorgung die am stärksten beanspruchte elektronische Baugruppe im Gesamtsystem ist und somit eine potenzielle Ausfallursache, verdient sie während der Entwicklung ein stärkeres Augenmerk.
Auf Effizienz achten
Ein effizientes Schaltnetzteil stellt eine der wichtigsten Voraussetzungen für eine lange Betriebserwartung des Gesamtsystems dar. Zwar klingt eine um ein bis zwei Prozent höhere Effizienz zunächst nicht nach großem Mehrwert; und einen höheren Preis deswegen stellen Anwender gern in Frage. Betrachten sie jedoch die dadurch entstehende geringere prozentuale Verlustleistung und damit auch die geringere Eigenerwärmung der Stromversorgung, entsteht ein völlig anderes Bild. Das verdeutlicht letztendlich die Notwendigkeit einer hohen Effizienz.
Auslastung: Effizienz und Last
Eine Stromversorgung auf Volllast zu betreiben wird sie nicht zerstören, ist aber auch nicht zuträglich für eine lange Betriebserwartung. Genauso falsch kann es sein, einen zu großen Leistungspuffer zu wählen. Gerade in Bezug auf die Effizienz erfordert die Auslastung der Stromversorgung besondere Aufmerksamkeit. In den Datenblättern ist die Effizienz meist unter Volllast angegeben. Wird aber die Effizienz in Abhängigkeit zur Last betrachtet, sind teils deutliche Abweichungen vom angegeben Maximalwert zu erkennen. Dies lässt sich bei vielen Stromversorgungsherstellern als Grafik aus den technischen Daten entnehmen. Ist die Kurve „Effizienz zu Last“ bei hochwertigen Netzteilen über einen breiten Leistungsbereich recht flach, kann sich dies bei einer einfacheren Topologie völlig anders verhalten und die Verlustleitung bei überdimensionierten Netzteilen erhöhen. Dadurch entsteht wiederum eine höhere Erwärmung, die dem eigentlichen Grundgedanken der Entlastung der Stromversorgung entgegensteht.
Faustformel für das Wärmemanagement
Die Bauformen der Schaltnetzteile werden immer kleiner, somit wird die Wärmeverteilung beziehungsweise Wärmeabfuhr aus oder in deren Gehäuse immer schwieriger. Netzteile können zwar gegebenenfalls selber Hotspots in einer Applikation sein. Vor allem aber sollten sie möglichst weit entfernt von externen Wärmequellen in der Applikation installiert werden. Dabei ist es wichtig, den Vorgaben der Hersteller zu folgen: Gibt es ein Derating, welches ab einer gewissen Umgebungstemperatur zu berücksichtigen ist? Hat die Einbaulage Einfluss auf das Derating? Oder ist nur eine gewisse Einbaulage zulässig, um die nötige Ableitung der Wärme zu garantieren? Generell ist es wichtig, für eine ausreichende passive oder auch aktive Kühlung der Applikation zu sorgen, um die Arbeitstemperaturen so niedrig wie möglich zu halten. Als grobe Faustformel gilt: Mit einer Erhöhung der Temperatur um 10 °C halbiert sich in etwa die Betriebserwartung.
Betriebserwartung vergleichen
Beim Vergleich der Qualität oder Betriebserwartung werden oftmals nur die MTBF-Werte (Mean Time Between Failures) berücksichtigt. Diese geben allerdings nur die statistische Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls an. In die Berechnung des Wertes fließt die Anzahl an verbauten Komponenten ein. Je komplexer ein Gerät, desto geringer ist der MTBF-Wert. Dieser definiert eine Ausfallwahrscheinlichkeit, ohne jedoch Rückschlüsse auf den Ausfallzeitpunkt zu ziehen. Darüber hinaus ergeben sich aus den verschiedenen MTBF-Standards teilweise unterschiedliche Bewertungen. Eine tatsächliche Betriebserwartung in Stunden wird von der oder den schwächsten Komponenten der Stromversorgung bestimmt. Mechanische Bauteile wie Lüfter, vor allem aber die begrenzte Lebensdauer der verbauten Elektrolytkondensatoren, schränken die Lebenserwartung ein. Die meisten Hersteller geben in den technischen Daten neben dem MTBF-Wert deswegen auch eine voraussichtliche Betriebserwartung in realen Stunden an. Bei ihrem Vergleich sollte auch die Referenztemperatur geprüft werden, denn diese ist letztlich der größte Faktor zum Errechnen der Betriebs-
erwartung.
Strengere Ökodesign-Richtlinien
Effizientere Geräte und immer niedrigere Standby-Leistungen sollen den Stromverbrauch weiter reduzieren. Im Jahr 2010 lag ein ermittelter Standby-Anteil in europäischen Haushalten noch bei rund sechs Prozent des Gesamtstromverbrauchs. Untersuchungen der Internationalen Energieagentur prognostizierten, dass im Jahre 2030 bis zu 15 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs den Standby-Verlusten elektrischer Geräte geschuldet sein könnten. In industriellen Applikationen zum Beispiel werden eine hohe Effizienz und geringer Standby-Verbrauch bisher freiwillig angestrebt. Stromversorgungen für Beleuchtungsapplikationen oder Tisch- und Steckernetzteile hingegen sind schon bestehenden Richtlinien unterworfen. So definiert die ERP-Richtlinie 2009/125/EG des europäischen Parlaments für diese Produkte in Europa feste Grenzwerte, um der Tendenz des steigenden Standby-Verbrauchs entgegen zu wirken. Noch strenger ist die Vorgabe des neuen Energy Level VI des amerikanischen DOE (United States Department of Energy) für Stecker und Tischnetzteile. In Zukunft wird aber auch eine strengere europäische ERP-Richtlinie kommen, die dann bei neuen Entwicklungen und Produkten berücksichtigt werden muss.
EMV-Grenzwerte einhalten
Schaltende Komponenten wie Netzteile oder auch DC/DC-Wandler sind durch ihre Funktionsweise zwangsweise potenzielle Störer. Die Hersteller filtern eventuelle Störgrößen meist schon intern im Produkt heraus. Manchmal ist aber auch eine externe Beschaltung nötig, um die EMV-Grenz-
werte (elektromagnetische Verträglichkeit) einzuhalten. Gerade bei AC/DC- oder DC/DC-Wandlern für die Platinenmontage muss dann der Platz für nötige Entstörkomponenten vorab berücksichtigt werden. Zu berücksichtigen ist auch die bekannte Formel CE+CE≠CE. Auch wenn zwei CE-konforme Einzelprodukte – etwa zwei Mal eine Stromversorgung mit einer Last – verwendet werden, ergibt sich nicht automatisch ein EMV- und somit CE-konformes Gesamtsystem. Wechselwirkungen zwischen den Komponenten oder gegebenenfalls nur der Leitungsführung zwischen den Produkten kann bereits Einfluss auf das EMV-Verhalten des Gesamtsystems haben. Wird dieser Faktor im Vorfeld berücksichtigt, lässt sich falls nötig meist mit geringem Aufwand eine Lösung finden.
Normen erfüllen
Nicht jede Standardstromversorgung muss den geforderten normativen Ansprüchen an eine bestimmte Applikation genügen. Für jede Anwendung eignen sich unterschiedlichste Produkte. Obwohl eine Stromversorgung als Einbaukomponente grundsätzlich nicht für eine spezifische Anwendung zertifiziert sein muss, erleichtert dies den Zertifizierungsprozess des Endgerätes. Ob allgemeine Anforderungen wie EN60950-1 für IT-, EN60601-1 für Medizin-, EN61347-1 für Beleuchtungs-, EN60335-1 für Haushaltsanwendungen oder weitere Normen beziehungsweise Normenreihen für sonstige Applikationen, für fast jede Anwendung lässt sich ein passendes, bereits zertifiziertes Schaltnetzteil finden. Rechtzeitig zu klären ist: Welche Ansprüche muss eine Stromversorgung in Bezug auf Sicherheitsnormen, EMV-Normen oder sonstigen Richtlinien erfüllen?
Schutzeinrichtungen auswählen
Stromversorgungen sollten möglichst über Schutzfunktionen gegen Überspannung, Überlast und Übertemperatur verfügen. Je nach Applikation ist unter anderem darauf zu achten, welcher Überlastschutz im Netzteil verwendet wird. So bietet sich bei hohen Anlaufströmen für zum Beispiel Motoren ein Überlastschutz in Ausführung einer Strombegrenzung eher an als ein sogenannter Hickup-Modus. Auch eine sekundäre Absicherung des Netzteils sollte berücksichtigt werden. Hierfür ist gegebenenfalls auch eine ausreichend dimensionierte Peak- oder Boost-Funktion des Netzteils erforderlich, um ein zuverlässiges Auslösen externer Sicherungen zu gewährleisten.
Datenblatt genau lesen
Für jede Applikation und Branche sind andere Funktionen oder Parameter entscheidend: DC-Tauglichkeit für Notstromanwendungen, weiter Temperaturbereich für eine Außenanwendung, hoher Verschmutzungsgrad, hohe Anforderungen an EMV-Störfestigkeit oder eine Eignung für extreme Betriebshöhen wie zum Beispiel für Anwendungen im Hochgebirge. Ohne einen gewissen Aufwand, um die Datenblattangaben verschiedener Hersteller zu vergleichen oder sich vom Fachmann beraten zu lassen, lässt sich eine passende Stromversorgung nicht finden. Wird ihrer Auswahl bei der Entwicklung zu wenig Zeit geschenkt, ist entweder in der Entwicklungsphase, bei der Zertifizierung oder spätestens beim Kunden im Feld mit Problemen zu rechnen.
Variierende Einschaltströme beachten
Je nach der Größe des primären Speicherkondensators und der Topologie der Stromversorgungselektronik können die unvermeidlichen Einschaltströme eines Schaltnetzteils variieren. Dabei spielt die Nennleistung der Stromversorgung eine untergeordnete Rolle. Werden einzelne oder wenige Schaltnetzteile mit hohen Einschaltströmen an einer Sicherung oder einem Sicherungsautomaten verwendet, stellt das aufgrund der kurzen Einschaltstromimpulse in der Regel noch kein Problem dar. Addieren sich diese Ströme jedoch durch den Einsatz von mehreren Netzteilen, kann das schnell ein ungewolltes Auslösen der Sicherung zur Folge haben. Sind also mehrere Netzteile in einer Applikation vorgesehen, müssen deshalb die Summe der Einschaltströme, die Auslösecharakteristiken der Sicherungen oder gar der Einsatz von Einschaltstrom-
begrenzern bereits während der Entwicklung berücksichtigt werden.
