Digital-Power-Management Lüfterdrehzahl optimal regeln

Einer der wichtigsten Vorteile bei der Verwendung von Digital-Power-Management ist die Anpassungsfähigkeit. Dadurch lässt sich beispielsweise die Lüfterdrehzahl regeln und so eine effektive Kühlung gewährleisten. Gleichzeitig minimiert dieser Ansatz die Geräuschentwicklung in Echtzeit und unter allen Arbeitsbedingungen und verlängert die Lebensdauer des Gebläses.

Fast ein Jahrzehnt nach dem ersten Digital-Power-Forum im kalifornischen San Jose im September 2004 fließen Digital-Power-Control- und Digital-Power-Management-Techniken allmählich immer mehr in die Standardnetzteile ein. Digital-Power-Control ersetzt sukzessive traditionelle, analoge Regelkreise, sodass Topologien und Architekturen zum Einsatz kommen können, die für eine analoge Regelung nicht so einfach zu bewältigen sind. Dadurch verbessert sich die Performance von Stromversorgungen. Demgegenüber verbessert das Digital-Power-Management das Verhalten und Zuverlässigkeit von Netzteilen, beispielsweise durch ein effizientes Wärmemanagement mit drehzahlgeregelten Lüftern.

Wenn es um das Wärmemanagement einer Stromversorgung in einem System geht und ein Gebläse einen Kühlluftstrom erzeugen muss, müssen aus Designsicht mehrere Optionen bewertet werden. Sie lassen sich in drei Kategorien zusammenfassen. Bei der am häufigsten angewandten Option läuft der Lüfter mit einer festen Geschwindigkeit nahe an seinen Nennwerten, egal wie hoch die Umgebungstemperatur und wie groß Ausgangslast und Eingangsspannung sind. Sobald ein Lüfter ausgewählt und seine Versorgungsspannung für einen bestimmten Bedarf definiert sind, liegen auch die Höhe des Laufgeräusches und die Lebensdauer mehr oder weniger fest - beides kritische Faktoren in einer Stromversorgung.

Um bei gleichbleibender Performance das Geräusch zu reduzieren und die Lebensdauer zu erhöhen, ist es üblich, den Lüfter überzudimensionieren. Unerwünschter Nebeneffekt ist eine niedrigere Leistungsdichte der Stromversorgung, was sich wiederum negativ auf die Kompaktheit des Gesamtsystems auswirkt. Denn um den Luftstrom für eine wirkungsvolle Kühlung nicht zu beeinträchtigen, muss zwischen Netzteil und dem Rest des Systems ein Mindestabstand eingehalten werden.

Eine zweite Option besteht darin, einen sogenannten eigengeregelten Lüfter zu verwenden. Dabei regelt der Lüfter seine Drehzahl in Abhängigkeit von der Temperatur der Einlassluft, gemessen von einem eingebauten Temperatursensor. Die Umdrehungsgeschwindigkeit hängt jedoch nicht von anderen wichtigen Variablen ab, wie der Eingangsspannung und der Last. Zwar ist der Lüfter bei dieser Option kleiner als bei der ersten, aber diese Lösung ist bezüglich Geräuschentwicklung über den gesamten Arbeitsbereich und Lebensdauer noch nicht optimal.

Eine ganzheitliche und weniger weit verbreitete Option schließlich nutzt eine digitale Schaltung, welche die Drehzahl digital in Abhängigkeit von allen drei relevanten Variablen regelt: Umgebungstemperatur, Ausgangslast und Eingangsspannung. Eine solche Ansteuerung ist in den Netzteilen der Serie »DDP400« von Roal integriert. Bild 1 zeigt die Lüfterdrehzahl in Abhängigkeit von der Ausgangslast bei 230 V Eingangsspannung und +25 °C Umgebungstemperatur. Auch sind einige Arbeitspunkte mit den dazu korrespondierenden akustischen Geräuschpegeln eingezeichnet.

So arbeitet die Regelung

Startet das Netzteil im Leerlauf, startet der Ventilator mit maximaler Geschwindigkeit und stoppt nach Abschluss eines Selbstdiagnoselaufs nach wenigen Sekunden wieder. Der Ventilator bleibt ausgeschaltet, solange die Last nicht mehr als 50 W beträgt (Punkt (1) in Bild 1). Oberhalb dieses Schwellenwerts beginnt der Lüfter mit geringer Geschwindigkeit (etwas höher als 3000 U/min) bis 100 W in einem Intervallmodus zu drehen (Punkt (2)).

Das Ein/Aus-Tastverhältnis hängt von der Last und der Umgebungstemperatur ab. Oberhalb von 100 W bis zu 175 W Last läuft der Lüfter stationär bei niedriger Drehzahl. Oberhalb 175 W Last steigt die Lüfterdrehzahl mit der an die Stromversorgung angelegten Last. Bei Volllast dreht der Lüfter mit 75% seiner maximalen Nenndrehzahl. Bild 2 zeigt, wie sich die Lüfterkennlinie ändert, wenn bei unveränderter Eingangsspannung von 230 V die Umgebungstemperatur über +25 °C steigt. Die gesamte Kennlinie rutscht nach links, der An/Aus-Bereich schrumpft und die Lüftergeschwindigkeit steigt bei gleicher Last.

Lüfterkennlinie ändert sich dynamisch

Bild 3 wiederum veranschaulicht, wie sich die Lüfterkennlinie ändert, wenn die Eingangsspannung unter 110 V sinkt, wobei die Umgebungstemperatur bei +25 °C bleibt. Wenn die Last unter 30% vom Nennwert bleibt, hat dies keinen signifikanten Effekt. Bei steigender Last steigt jedoch auch die Lüfterdrehzahl. Wenn sowohl die Temperatur als auch die Eingangsspannung auf die digitale Steuerung einwir-ken, überlagern sich beide Effekte.

Keinesfalls steigt die Geschwindigkeit des Ventilators über 6500 U/min., also über 75% seiner maximalen Nenndrehzahl. Seine Geschwindigkeit stellt stets den optimalen Kompromiss zwischen Kühlung, Geräusch und Lebensdauer dar. Außerdem gibt es ein nach außen geleitetes Lüftersignal, wobei 0 V ausgeschaltet bedeutet, 5 V jedoch an. Dieses Signal eignet sich auch als Rückkoppelsignal für das System, in dem das DDP400 installiert ist, beispielsweise wenn in dem System das Kühlsystem mit der Stromversorgung synchronisiert werden soll.

Über den Autor:

Roberto Cappelloni ist EU Business Development Manager in der Digital Power Division von Roal Electronics.