Stromversorgungsdesign Grundlagen des Wärmemanagements

Schaltnetzteile haben sich als Stromversorgungen weitgehend durchgesetzt. Doch ihr Design ist alles andere als trivial. In einer losen Artikelserie wollen wir einige Grundlagen des Stromversorgungsdesigns beleuchten. Im Folgenden geht es um das Wärmemanagement – einer der wichtigsten Aspekte.

Eine effiziente Wärmeableitung beeinflusst die Leistungsfähigkeit einer Stromversorgung unmittelbar, denn elektronische Schaltkreise arbeiten bei niedrigeren Temperaturen effizienter. Sinken die Verluste, vereinfacht sich außerdem das Wärmemanagement. Eine effektive Kühlung kann auch die Ausgangsleistung des Gesamtsystems erhöhen. Zudem fallen Systeme, die bei niedrigeren Temperaturen arbeiten, erst später und nicht so häufig aus. Diese Faktoren müssen Entwickler bei der Wahl der Kühloption einer Stromversorgung im Sinn behalten.

Solange eine Stromversorgung keinen Wirkungsgrad von 100 Prozent hat, wird ein Teil der aufgenommenen Energie in Wärme umgewandelt. Die Höhe der Verlustleistung lässt sich aus dem Wirkungsgrad des Wandlers ableiten, dem Verhältnis aus abgegebener Leistung zu aufgenommener Leistung.

Für den Abtransport von Wärme existieren drei wesentliche Mechanismen: Strahlung, Konvektion und Leitung. Wärmestrahlung durch elektromagnetische Emissionen ist zwar auch eine Art der Wärmeabgabe, ist bei Netzteilen jedoch zu vernachlässigen.

In einer Stromversorgung bildet die Konvektion den Hauptpfad für den Wärmetransport. Dabei wird Energie von den festen Systemkomponenten an die vorbeiströmende Luft übertragen. Die Menge der abtransportierten Verlustwärme ist proportional zur Luftmenge, die über das System strömt. Eine erzwungene Luftkühlung (mittels Lüfter) kühlt stärker als die natürliche, freie Bewegung von Luft, die von heißen Bauteilen aufsteigt und Energie an die Luftmoleküle in der Umgebung abgibt. Eine erzwungene Luftkühlung bietet einen stetigen Strom kühlerer Luft, die Wärmeenergie aufnehmen kann, erzeugt aber durch die Lüfter akustisch wahrnehmbare Geräusche in der Umgebung.

Die Wärmeleitung durch ein Leiterplattensubstrat oder ein Systemgehäuse bietet eine weitere Möglichkeit für den Wärmetransport aus einem Netzteil. Allerdings wird dieser Mechanismus traditionell als weniger wichtig eingestuft als die Konvektion. Ein hoher Kupferanteil in einer Leiterplatte und ein metallisches Gehäuse stellen gute Pfade für den Wärmetransport dar.

Ein Kühlkörper (Bild 1) nutzt die Wärmeleitung, um die Kühleffizienz durch Konvektion zu erhöhen. Ein Kühlkörper ist so konstruiert, dass er die Oberfläche eines Bauteils erhöht, an dem er befestigt ist. Die Wärme wird über den Kühlkörper an die ihn umgebende Luft abgegeben. Um die Wärmeleitung vom Bauteil in den Kühlkörper zu maximieren, wird der Einsatz thermischer Klebstoffe empfohlen, um die Lücke zwischen dem zu kühlenden Bauteil und der Oberfläche des Kühlkörpers zu füllen. Das Bauteil kann dabei zum Beispiel ein kompletter Leistungswandler sein. Schrauben oder Klammern erhöhen den Anpressdruck, was den Wärmetransfer in den Kühlkörper weiter verbessert.

Durch die geeignete Wahl der Materialien und durch den strukturellen Aufbau lässt sich der Wärmetransfer verbessern. Eine effiziente Kühlung durch eine Grundplatte (Baseplate) eignet sich zum Beispiel für Systeme, bei denen eine aktive Kühlung mit Lüftern unerwünscht ist (Bild 2). Dies trifft zum Beispiel bei professionellen Audiosystemen zu, die meist in Bereichen installiert werden, in denen eine minimale Geräuschentwicklung durch Elektronik gefordert ist.

Beim Systemdesign für Stromversorgungen sind zwei weitere Aspekte zu berücksichtigen:

  • Erstens, die Wahl einer Stromversorgung, die einen geringeren Grad an Kühlung benötigt – durch ein effizienteres Design. Eine 300-W-Versorgung, die bei Volllast einen Wirkungsgrad von 85 Prozent bietet, verschwendet 45 W an Wärme. Ein Netzteil, das nur 5 Prozent effizienter ist, vergeudet immerhin 15 W weniger an Wärme, was die Anforderungen an die Luftstrom-basierte Kühlung verringert.
  • Zweitens, die Wahl einer Stromversorgung, die nicht mit voller Last betrieben wird. Damit läuft das Netzteil kühler und kann in mehr Anwendungsszenarien zum Einsatz kommen, zum Beispiel bei höheren Umgebungstemperaturen (was den Abtransport der Wärmemenge vom Netzteil verringert) oder wenn die Systemanforderungen es unmöglich machen, eine erzwungene Luftkühlung zu integrieren.