Open-Frame-Netzteile

Design-in optimal gestalten

21. Februar 2022, 15:30 Uhr | Rolf Horn, Digi-Key
Open-Frame-Netzteile sind Standardkomponenten, die in OEM-Systeme sind und die STeckdose versorgt
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Open-Frame-Netzteile sind Standardkomponenten, die in sehr viele OEM-Systeme wandern, welche aus einer Steckdose versorgt werden. Obwohl sie funktional vollständig und relativ einfach zu verwenden sind, gibt es dennoch einige Dinge, die Ingenieure beim Design-in beachten müssen.

In der Vergangenheit war eine der ersten Fragen im Zusammenhang mit der Notwendigkeit, sich für eine Stromversorgung zu entscheiden, die Frage: selber entwickeln und fertigen oder kaufen? Der Grund dafür ist, dass es zumindest im Prinzip nicht schwierig ist, eine oder mehrere Einheiten einer simplen Stromversorgung für unter 100 W zu entwerfen und zu bauen.
In der Praxis ist die Situation jedoch weitaus komplexer und vielschichtiger, denn eine entsprechende Planung und Entwicklung erfordert mehrere Aspekte:

➔ Die Spezifikationen sind unter allen Betriebsbedingungen, einschließlich hoher und niedriger Netzspannung sowie transientem Verhalten, über den gesamten Temperaturbereich einzuhalten.
➔ Die erforderlichen Schutzfunktionen wie Überspannungsschutz, Unterspannungsabschaltung und thermische Ab- schaltungen müssen vorhanden sein.
➔ Die vielen komplexen weltweiten Vorschriften für Sicherheit, Effizienz und Ruhestrom müssen verstanden und beachtet werden.
➔ Die verschiedenen Anforderungen an Schock- und Vibrationssfestigkeit sind einzuhalten.
➔ Ein Plan zur Prüfung, Verifizierung und Zertifizierung der Leistungsparameter muss vorhanden sein.

n der Realität ist es daher selbst für ein Team aus erfahrenen Ingenieuren eine respektable Herausforderung, ein Design in angemessener Zeit zu akzeptablen Vorlaufkosten und Entwicklungsaufwänden (NRE) erfolgreich zu erstellen – inklusive Stücklisten, Produktionshochlauf, Tests und Qualifizierung.

Andererseits: Selbst wenn sich die Anforderungen nicht mit einer Standard-Stromversorgung erfüllen lassen, bieten die meisten Anbieter einen Anpassungsservice an, bei dem ein Standardgerät so modifiziert wird, dass es den individuellen Anforderungen entspricht und gleichzeitig die zahlreichen technischen und gesetzlichen Anforderungen erfüllt.

Ohne oder mit Chassis

Eine Open-Frame-Stromversorgung ist die Branchenbezeichnung für eine reine Platinenkonstruktion, die als einzelnes komplettes Bauteil funktioniert – wie die der LCE80-Familie von XP Power (Bild 1).

Bei den offenen 80-W-Netzteilen der Serie LCE80 sind alle erforderlichen Komponenten auf einer einzigen Platine untergebracht
Bild 1: Bei den offenen 80-W-Netzteilen der Serie LCE80 sind alle erforderlichen Komponenten auf einer einzigen Platine untergebracht.
© XP Power

Sie wird in ein Endgerät eingebaut, das sowohl die physikalische als auch die elektrische Schutzhülle für die Stromversorgung darstellt. Derartige Netzteile lassen sich flexibel integrieren, bieten hervorragende Leistungen, erfüllen gesetzliche Normen und Vorschriften und sind kosteneffiziente Lösungen. Dadurch kann sich das Entwicklungsteam mehr auf den Rest des Systemdesigns und dessen Differenzierung konzentrieren.

Das U-Kanal-Netzteil VCS100US12 für 100 W verfügt über eine abnehmbare Schutzabdeckung
Bild 2: Das U-Kanal-Netzteil VCS100US12 für 100 W verfügt über eine abnehmbare Schutzabdeckung
© XP Power

Eine andere, weit verbreitete Bauform ist das U-Chassis-Netzteil, bei dem eine Open-Frame-Stromversorgung in ein U-förmiges Gehäuse aus Aluminium eingebaut ist (Bild 2). Ein gutes Beispiel ist das 100-W-Gerät VCS100US12 von XP Power. Das Chassis bietet dem Endgerätehersteller mehr Möglichkeiten, das Netzteil in sein endgültiges System einzubauen, und enthält häufig eine abnehmbare Abdeckung, die elektrischen und physischen Schutz bietet und zur Luftzirkulation perforiert ist.

Auch wenn ein Open-Frame-Netzteil vollständig und einsatzbereit ist, sind noch zusätzliche Überlegungen nötig zur elektrischen Sicherheit bzw. zu gesetzlichen Vorschriften, zur thermischen Leistung und zu Grenzwerten sowie zur Installation und elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).

Elektrische Sicherheit und Konformität

Benutzer von Open-Frame-Netzteilen müssen die Anforderungen an Luft- und Kriechstrecken beachten. Die Luftstrecke (Clearance) ist der kürzeste Abstand über die Luft zwischen zwei leitenden Teilen, während die Kriechstrecke (Creepage) der kürzeste Abstand entlang der Oberfläche eines festen isolierenden Materials zwischen zwei leitenden Teilen ist (Bild 3).

Bei der Integration ins System müssen Mindestabstände für die Luftstrecke, den kürzesten Abstand über Luft zwischen zwei leitenden Teilen, sowie die Kriechstrecke, den kürzesten Abstand entlang der Oberfläche eines festen isolierenden Materials
Bild 3: Bei der Integration ins System müssen Mindestabstände für die Luftstrecke, den kürzesten Abstand über Luft zwischen zwei leitenden Teilen, sowie die Kriechstrecke, den kürzesten Abstand entlang der Oberfläche eines festen isolierenden Materials zwischen zwei leitenden Teilen, eingehalten werden.
© Altium

Die erforderlichen Mindestwerte für diese beiden Strecken hängen von der Versorgungsspannung sowie von den Betriebs-bedingungen ab, zum Beispiel von der zu erwartenden Verschmutzung durch Staub, Feuchtigkeit und andere Partikel in der Luft, die die Hochspannungsknoten umgeben oder auf der Oberfläche zwischen ihnen liegen.

Stromversorgungen werden auch in verschiedene IEC-Klassen eingeteilt, die sich nach der Endanwendung richten:

➔ Klasse I: Der Schutz des Benutzers vor Stromschlägen wird durch eine Kombination aus Isolierung und Schutzerde erreicht.
➔ Klasse II: Der Schutz des Benutzers vor Stromschlägen wird durch zwei Isolierungsebenen erreicht – entweder doppelt oder verstärkt.

Ein System der Klasse I erfordert einen Abstand von 3 mm oder 4 mm zwischen jedem geerdeten Metallteil und jedem Teil der Primärseite der Stromversorgung, je nachdem, ob es sich um eine industrielle oder medizinische Endanwendung handelt. Eine medizinische Endanwendung kann zusätzliche Isolatoren um die offene Netzteilbaugruppe erforderlich machen; auch benötigen Klasse-II-Netzteile möglicherweise größere Kriech- und Luftstrecken.

Bei Verwendung eines Netzteils der Klasse I ist dessen Erdung ein integraler Bestandteil des elektrischen Systems und muss daher sicher mit der Schutzerde des Geräts verbunden sein. Außerdem ist die Baugruppe wahrscheinlich an mehr als einer Stelle mit Erde zu kontaktieren, was sich auf die Störabstrahlung und die Störempfindlichkeit auswirkt. Dazu weiter unten mehr.

Sowohl Open-Frame- als auch U-Chassis-Netzteile verfügen über eine integrierte Sicherung; für Anwendungen in der Medizintechnik sind zwei Sicherungen nötig. In der Regel sind die Sicherungen fest in die Stromversorgung verbaut und lassen sich nicht vor Ort austauschen, da der einzige Grund für das Auslösen (Öffnen) einer Sicherung ein Ausfall der Stromversorgung ist, die vor der erneuten Verwendung des Systems repariert oder ersetzt werden muss. Darüber hinaus kann es zusätzliche Anforderungen für systemweite Sicherungen zum Schutz vor Problemen mit Verbindungskabeln und -anschlüssen sowie anderen Schaltkreisen geben, die nicht mit der Stromversorgung zusammenhängen.


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