Lebensdauer, MTBF und Zuverlässigkeit Fit & Forget

Für Schaltnetzteile sollte gelten: Einmal einbauen, und es läuft und läuft und läuft. Doch wie lässt sich eine lange Lebenserwartung realisieren und vor allem gewährleisten? Dies beginnt schon beim Design, und es gilt, den limitierenden Faktor zu kennen.

von Thomas Rechlin, Senior Field Application Engineer bei Recom Power.

Svante Arrhenius erhielt 1903 den Chemie-Nobelpreis. Denn im Zuge seiner Forschungen über die Elektrolytische Dissoziation entdeckte der schwedische Wissenschaftler 1889 den Zusammenhang zwischen chemischer Reaktionsgeschwindigkeit und Temperatur. Dieser fundamentale Zusammenhang lässt sich durch die Arrhenius-Gleichung beschreiben (Gleichung 1).

left square bracket 1 right square bracket space k space equals space A space times space e to the power of fraction numerator negative E subscript A over denominator R times T end fraction end exponent

Die in der Formel beschriebene Aktivierungsenergie EA ist hierbei der wesentliche Faktor, denn je geringer die benötigte Aktivierungsenergie eines Systems ist, desto schneller verläuft eine Reaktion. Dieser Zusammenhang lässt sich daher nicht nur für chemische Reaktionen anwenden, sondern gilt auch für viele andere Systeme, beispielsweise in der Elektronik. Formt man die Arrhenius-Gleichung um, so kann man den Beschleunigungsfaktor k für die Alterung elektronischer Systeme beschreiben (Gleichung 2).

left square bracket 2 right square bracket space k space equals space e to the power of 11600 times 0 comma 6 space e V times open parentheses 1 over T subscript r e f end subscript space minus space 1 over T subscript a m b end subscript close parentheses end exponent

Vereinfacht ergibt sich daraus die bekannte Faustformel, dass eine Erhöhung der Temperatur um 10 K die Ausfallwahrscheinlichkeit verdoppelt. Im Umkehrschluss bedeutet dies, damit halbiert sich die Lebenserwartung.

Die Temperatur ist also der limitierende Faktor beim Design eines Schaltnetzteils. Um die Temperatur möglichst gering zu halten, gibt es im Wesentlichen zwei Möglichkeiten: Entweder man sorgt für eine möglichst geringe Umgebungstemperatur oder man verringert im Schaltnetzteil die Verlustleistung, da diese ja für die Eigenerwärmung verantwortlich ist. Da der Entwickler eines Schaltnetzteils meist wenig Einfluss auf die Umgebungsbedingungen hat, muss er sich die Verluste genau ansehen und daran drehen. Er muss überlegen, wo die meisten Verluste entstehen. Dazu blicken wir im Folgenden auf vier wichtige Bausteine eines Schaltnetzteils: Transformator, Leistungs-MOSFETs, Ausgangsgleichrichtung sowie die Bauteilplatzierung und das Leiterplattendesign.

Verluste allseits minimieren

Der Transformator oder Übertrager ist das Herzstück eines Schaltnetzteils, doch gerade bei dessen Dimensionierung liegt der Teufel im Detail (Bild 1). Beim Eisenkern gilt der Hystereseschleife das besondere Augenmerk. Wer hier falsch berechnet und der Trafo gerät in die Sättigung, erhöht die Verlustleistung deutlich. Darüber hinaus hat auch die Form des Eisenkerns eine zentrale Bedeutung. Ein Ringkern hat beispielsweise wesentlich geringere Streuverluste als ein EI-Kern, dafür lässt sich Letzterer einfacher bewickeln.

Auch die Wicklungen bewirken mit ihrem ohmschen Widerstand Verluste. Diese Kupferverluste hängen im Wesentlichen vom Leiterquerschnitt und der Wicklungszahl ab. Des Weiteren lässt sich durch exaktes Wickeln der Wirkungsgrad anheben. Einen weiteren, wenn auch geringeren Einfluss hat auch der sogenannte Skin-Effekt. Dieser verstärkt sich sowohl mit zunehmendem Drahtquerschnitt als auch mit wachsender Taktfrequenz und lässt sich durch mehrere ineinander verdrillte Drähte (HF-Litze) senken.

Die eigentlichen Leistungsbauteile in einem Schaltnetzteil sind die Power-MOSFETs. Hier gilt es, die Schaltverluste so gering wie möglich zu halten. Einerseits sollten sie möglichst schnell schalten, weil dadurch die Verluste sinken, andererseits können gerade steile Schaltflanken (hohes di/dt bzw. du/dt) unerwünschte Nebenwirkungen haben. Denn dabei kommt es zu physikalischen Effekten, die sich negativ auf die Lebensdauer auswirken können und eine hohe Taktfrequenz bedeutet oft zusätzliche EMV-Maßnahmen.

Die bestimmenden Komponenten einer Ausgangsgleichrichtung sind die Gleichrichterdioden und die Glättungskondensatoren. Insbesondere die Dioden können dabei sehr heiß werden. Dem entgegenwirken kann man mit einer geringeren Durchlassspannung oder mit einer Snubber-Schaltung, die Schaltspannungsspitzen kappt. Nichtsdestotrotz sind sie eine Wärmequelle, welche die Glättungskondensatoren, meist Elektrolytkondensatoren (Elkos), deutlich schneller altern lässt. Elkos enthalten einen flüssigen Elektrolyt, der durch die Bauteilabdichtung hindurch diffundiert. Erhöhte Temperaturen begünstigen dies deutlich.