Stromversorgungsdesign Grundlagen zur Zuverlässigkeit von Netzteilen

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 deren Zuverlässigkeit.

Wie wichtig Zuverlässigkeit ist, lässt sich am besten mit einer Anekdote beschreiben, die mir ein Freund vor etwa 15 Jahren erzählte. Er arbeitete für ein großes Unternehmen in Kalifornien und erhielt eine Lieferung neuer und anscheinend problematischer PCs. Innerhalb weniger Monate begannen die PCs immer wieder abzustürzen, und die IT-Abteilung sollte die angenommen Betriebssystemfehler oder Viren beseitigen, die diese neuen Rechner befallen haben. Der Fehler konnte nicht beseitigt werden. Nach einigen Untersuchungen und vielen zerlegten PCs zeigte sich das Problem: Minderwertige Kondensatoren im Netzteil haben sich im Laufe der Zeit nachgelassen, sorgten für einen unregelmäßigen Betrieb der Versorgungsschienen und verursachten somit zufällige Abstürze.

Dieser Vorfall zeigt, dass Stromversorgungen nicht die gleiche Aufmerksamkeit erhalten wie Prozessoren und Displays, obwohl sie für die Zuverlässigkeit des Systems genauso wichtig sind. Im Folgenden wollen wir näher darauf eingehen, wie sich die Zuverlässigkeit von Stromversorgungen näher betrachten, messen und verbessern lässt.

Zuverlässige Stromversorgungen sind kein Ratespiel. Dies erfordert entsprechendes Know-how bezüglich Design, Analyse, Bauteile, Fertigung, Test und Installation. Keiner dieser Schritte allein garantiert eine zuverlässige Stromversorgung; es können aber viele Fehler begangen werden, mit denen sich die Zuverlässigkeit einer Stromversorgung verringert.

Analysiert ein Anbieter die zu erwartende Lebensdauer einer Stromversorgung, kommt es auf konsequent geführte Datenbanken, Modelle, Umgebungsbedingungen und die Fertigung an, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen, die sich mit anderen Stromversorgungen und Design-Implementierungen vergleichen lassen.

 

Erwartete Lebensdauer vorhersagen

Zuerst ein paar Definitionen:

  • Zuverlässigkeit (Reliability), R(t): Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Stromversorgung nach einer bestimmten Zeitdauer weiterhin einwandfrei funktioniert.
  • Ausfallrate, λ: Der Anteil an Einheiten, die in einer bestimmten Zeitspanne ausfallen. Anmerkung: In der Burn-in- und Wear-out-Phase des Lebensdauerzyklus ergibt sich eine hohe Ausfallrate (Bild 1).
  • MTTF, 1/λ: Mean Time to Failure (mittlere Lebensdauer).
  • MTBF (Mean Time Between Failures; mittlerer Ausfallabstand): wird oft anstelle der MTTF verwendet und eignet sich für Einheiten, die repariert und wieder eingesetzt werden. MTTF ist technisch-mathematisch korrekter, aber beide Begriffe sind (abgesehen von wenigen Ausnahmen) gleich. Im Bereich der Stromversorgungen wird MTBF häufiger verwendet.

Die Zuverlässigkeit einer Stromversorgung basiert auf mehreren Faktoren: einem soliden, konservativen Design mit ausreichend Spielraum; qualitativ hochwertigen Bauteilen mit geeigneten Nennwerten; thermischen Erwägungen mit entsprechender Leistungsminderung über der Zeit und einem durchgängigen Fertigungsprozess.