Netzteile integrieren Fünf häufige Fehler vermeiden

Netzteile sind zuverlässige Systemkomponenten. Bei deren Integration ins System treten fünf Fehler immer wieder auf. Es erfordert jedoch keine anspruchsvollen Designtechniken oder Analysen, um sie zu vermeiden, sondern nur ein paar einfache Vorabüberlegungen.

Handelsübliche Netzteile bekannter Hersteller werden als »No Brainer« angesehen. Einfach einbauen und fertig! Einige grundlegende Fehler können jedoch die Stromversorgung zu einer wahren Problemquelle machen – sowohl während des Prototypings als auch später im Feld. Im Folgenden werden fünf häufige Probleme aufgeführt, die sich leicht vermeiden lassen.

Luftkühlung

Unzureichende Kühlung kann bei der Integration einer Stromversorgung ein Problem darstellen. Stromversorgungen erzeugen Abwärme, und je nachdem, wie damit umgegangen wird, beeinflusst dies die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit.

Betrachten wir zuerst den Fall, dass Kühlluft an der Stromversorgungen entlangströmt – ob nun erzwungen (durch einen Lüfter) oder durch Konvektion. Woher stammt die Luft? Wird sie beim Vorbeiströmen an heißen ICs vorgewärmt, bevor sie überhaupt zur Kühlung der Stromversorgung beiträgt? Falls dem so ist, verringert sich die Wirksamkeit – unabhängig davon, ob die Luftstrom-Anforderungen des Stromversorgungsherstellers erfüllt werden.

Darüber hinaus können Hindernisse im Kühlpfad den Luftstrom behindern. Gerät der Luftstrom ins Stocken, läuft der Lüfter zwar mit einer höheren Drehzahl, verströmt aber keine Luft. Die sorgfältige Planung der Bauteilplatzierung, des Luftwegs sowie die Dimensionierung der Ein- und -Auslässe der Luft sind erforderlich, um maximalen Durchfluss zu gewährleisten.

Dimensionierung des Netzteils

Der Ausgang einer unterdimensionierten Stromversorgung kann zu Schwankungen neigen, wenn mehr Strom als der Nennwert bereitgestellt werden soll. Einige Stromversorgungen bieten eine Sicherheitsfunktion, die einen Neustart erzwingt, sobald eine Überlastsituation auftritt (Hiccup). Dies führt zu einem unerwarteten Ein- und Ausschalten des zu versorgenden Systems. Noch schlimmer: Stromversorgungen, die keinen Überlastschutz aufweisen, können bei einer Überlastbedingung beschädigt werden.

Die Antwort ist dann nicht, sich für eine überdimensionierte Versorgung zu entscheiden. Neben unnötigen Materialkosten führt dies zu einem ineffizienten Betrieb, was zusätzliche Abwärme erzeugt und die Betriebskosten im Laufe der Produktlebensdauer erhöht. Die meisten Stromversorgungen arbeiten mit ihrem Spitzenwirkungsgrad, wenn sie 80 bis 95 Prozent ihrer Nennlast bereitstellen. Die Größe der Stromversorgung sollte daher entsprechend gewählt werden.

Spannungsabfall

Verluste sind auf den Widerstand in den Leitungen oder auf die Schaltkreise zwischen der Stromversorgung und der Last zurückzuführen. Sie können erheblich sein. Ein 30 cm langes 10-AWG-Kabel weist einen ohmschen Widerstand von etwa 1 mΩ auf. Dies mag als nicht viel erscheinen – man sollte aber das Ohmsche Gesetz (U = I∙R) beachten und die Berechnung durchführen. Der daraus resultierende Spannungsabfall kann die an der Last bereitgestellte Spannung unter die Toleranz der Versorgungsschiene drücken. Und es müssen sowohl die High-Side- als auch die Rückleitungen mit einbezogen werden.

Hier gibt es verschiedene Lösungsansätze: Änderung der Nennausgangsspannung, damit diese an der Stromversorgung etwas höher ist; Einsatz von Remote-Sensing (Fernerfassung); oder Verkürzung der Leitungslänge. Auch die Wahl des richtigen Leitungsdurchmessers ist für das Design entscheidend.

Verkabelungsbezogene Probleme lassen sich mit guten Designpraktiken einfach vermeiden: Verdrillte Versorgungs- und Rückleitungen minimieren elektromagnetische Abstrahlung (EMI), bieten eine Kabelabsicherung und sorgen für eine Zugentlastung. Leitungen, die sich bewegen, berühren irgendwann einmal andere Komponenten, und Biegungen aufgrund gewöhnlicher Vibrationen können zu winzigen Kabelbrüchen führen. Daraus können sich offene oder kurzgeschlossene Schaltkreise entwickeln.

Open-Frame-Stromversorgungen

Stromversorgungen im Open-Frame-Format haben auf ihrer Unterseite freiliegende Bauteile. Dabei muss sichergestellt werden, dass sie nicht das Außengehäuse oder Chassis berühren und dass genügend Freiraum zur Verfügung steht. Anwender sollten darauf achten, ausreichend Freiraum zu berücksichtigen – für den Fall, dass Bewegungen und Biegungen des Systems im Normalgebrauch keine Probleme verursachen. Auch die Anforderungen von Standardisierungs- und Regulierungseinrichtungen sollten beim Einbau einer Stromversorgung mit berücksichtigt werden.

Einsatz mehrerer Stromversorgungen

Werden mehrere Stromversorgungen parallel miteinander verbunden, muss der Unterschied zwischen Stromaufteilung (Current Sharing) und Redundanz beachtet werden. Bei der Stromaufteilung kann der Ausfall einer Versorgung zu einem Kapazitätsengpass führen. Bei redundanten und N+1-Designs ist der Ausfall einer Versorgung für die Last nicht erkennbar, da genügend zusätzliche Kapazität zur Verfügung steht, um die gesamte Last abzudecken.

Stromaufteilung bezieht sich auf zwei oder mehr parallel geschaltete Stromversorgungen, um mehr Strom als bei einer einzigen Versorgung bereitzustellen. Der gesamte Ausgangsstrom der gemeinsamen Versorgungen ist erforderlich, um die Lastanforderungen zu erfüllen. Einige Versorgungen sind von Grund auf so ausgelegt, dass sie diese Konfiguration unterstützen; andere benötigen eine kleine »Sharing«-Schnittstelle, um die Last pro Versorgung auszugleichen.
Mehrere kleine Stromversorgungen werden dann gewählt, wenn das physikalische Systemlayout nicht genügend Platz für eine große Stromversorgung bietet, wenn Wärmequellen verteilt werden müssen oder wenn die anfänglich gewählte Versorgung sich doch als unterdimensioniert erweist.

Im Gegensatz dazu liegt Redundanz oder N+1-Redundanz vor, wenn mehrere Versorgungen so miteinander verbunden sind, dass sie sich die Last teilen können. Fällt eine Versorgung aus, verfügen die verbleibenden Versorgungen über genügend Leistung, um die gesamte Last ohne Umschaltverzögerung zu versorgen. Auch hier gibt es Stromversorgungen, die speziell dafür ausgelegt sind, während andere Module zusätzliche Schaltkreise benötigen.

Über den Autor:

Bill Lurie ist Vice President Engineering bei N2Power