Stromversorgung Schaltnetzteile: Kaufen oder selbst entwickeln?

Die Frage, ob man ein Netzteil selbst entwickelt und fertigt oder von einem externen Anbieter zukauft, beschäftigt Entwickler bereits seit Jahren. In den letzten Jahren haben sich die Kriterien, auf denen diese Entscheidung beruhte, die verfügbaren Entwicklungswerkzeuge und Bauteile sowie die Anforderungen an die Stromversorgung gewandelt. Welche Aspekte sind zu bedenken?

Ein typisches Netzteil arbeitet am Wechselspannungsnetz (nominal 120 V oder 230 V bei 50 Hz oder 60 Hz) und stellt eine oder mehrere DC-Schienen bereit, meist zwischen wenigen Volt bis etwa 48 V bei einer Leistung von unter 1000 W. Heutige Schaltnetzteile müssen aber mehr können, als nur Leistung zur Verfügung zu stellen. Sie müssen immer strengere Sicherheitsanforderungen erfüllen, genauso wie Standards zur elektromagnetischen Verträglichkeit; der Wirkungsgrad soll hoch sein und eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC, Power Factor Correction) soll integriert sein.

In einigen speziellen Anwendungen, zum Beispiel in der Medizintechnik, müssen die Leckströme bestimmte Grenzwerte einhalten. Zudem ist sicherzustellen, dass Bauteilausfälle dort nicht zu lebensbedrohlichen Situationen führen. Heutige Schaltnetzteil-ICs machen es viel einfacher als früher, sein eigenes Design zu entwickeln. Viele Bausteine enthalten Steuerungsfunktionen und Algorithmen für eine PFC, was den Wirkungsgrad, das Transientenverhalten und die Last-/Netz-Performance verbessert sowie die Störaussendung (EMI) minimiert.

Sie bieten fortschrittliche Topologien und Betriebsmodi, die nur schwer selbst zu entwickeln wären. Einige ICs unterstützen digital geregelte Netzteile, mit denen Systeme viele interne Parameter der Stromversorgung überwachen und diese dynamisch an optimale Betriebsbedingungen anpassen können - je nach internen Bedingungen (z.B. Last) und auch nach externen Bedingungen (z.B. Umgebungstemperatur, Stromkosten).

Zudem sind bei verschiedenen Anbietern Referenzdesigns und Entwicklungswerkzeuge verfügbar, die das Stromversorgungsdesign auf den ersten Blick sehr einfach machen. Diese fallen in zwei Kategorien: erstens, man erhält ein detailliertes Referenzdesign für ein bestimmtes Netzteil (z.B. 375 W/48 V) inklusive Stromlaufplan, Leiterplatten-Layout und Stückliste. Oder zweitens, man nutzt die Tools des Anbieters und definiert seine Anforderungen. Dieser stellt dann entsprechende IC(s), passive Bauelemente, Stromlaufpläne, Layouts und Leistungskurven zur Verfügung.

Vorteile einer Eigenentwicklung

Der häufigste Grund, warum ein Netzteil intern selbst entwickelt wird, ist der ungewöhnliche oder einzigartige Formfaktor. Apples Notebook-Netzteil (Bild 1) ist ein Beispiel dafür. Die Gehäusevorgaben unterscheiden sich dann im Vergleich zu einem Standard-Netzteil erheblich. Außerdem kann die hohe Stückzahl solcher Consumer-Produkte ein starkes Argument für ein kundenspezifisches Design sein.

Bei ungefähr 1000 Einheiten pro Monat rechtfertigt sich bereits der Entwicklungs-/Qualifizierungsprozess, und eine sorgfältige Analyse der Stückliste kann sogar höhere Gewinnmargen abwerfen. Ein weiterer Grund für ein eigenes Design ist, dass sich die Anforderungen außerhalb des verfügbaren Angebots eines externen Herstellers befinden oder nur sehr wenige Anbieter gerade diese Anforderungen erfüllen. Dies ist zum Beispiel bei Netzteilen der Fall, die sehr hohe Ausgangsspannungen (über 1000 V) bereitstellen müssen. Doch selbst hier gibt es Anbieter, die nahe an diese Anforderung herankommen oder ihr Angebot entsprechend anpassen können.

Bei der Entwicklung einer Stromversorgung ist zwischen Kompromissen und Einschränkungen abzuwägen. Dazu zählen die Nennleistung, der Wirkungsgrad, thermische Probleme, Maximal- und Minimalwerte für die Parameter, Kosten, Komplexität, Zuverlässigkeit, technische Risiken und Unsicherheiten in der Lieferkette der Bauteile. Dennoch gibt es einige Anwendungen, in denen genau ein Parameter so entscheidend ist, dass nur ein kundenspezifisches Eigendesign zu einer Lösung führt, da kein kommerziell verfügbares Netzteil vorhanden ist, das diesen Parameter erfüllt.

Ein weiterer Grund für ein Eigendesign ist, wenn die Anforderungen lockerer gehandhabt werden als bei gängigen verfügbaren Stromversorgungen und »weniger Aufwand« trotzdem genügt. Für ein Netzteil für eine einfache Anzeigeleuchte genügen auch einfache Spezifikationen für die Ausgangsgenauigkeit (z.B. ±5%) oder wenig beziehungsweise keine Transientenfestigkeit. Hier ist ein kostengünstiges Design vollkommen ausreichend.

Auf der anderen Seite können Spezifikationen erforderlich sein, die wesentlich höher ausgelegt sind als normal beziehungsweise verfügbar. Dies ist meist bei wissenschaftlichen Anwendungen und in Forschungseinrichtungen der Fall. Ein letzter Grund, warum eigene Netzteile entwickelt werden, ist die Erfahrung im Haus selbst. Falls bereits über Jahre Netzteile intern entwickelt wurden, ist man mit den technischen und regulatorischen Anforderungen bereits bestens vertraut. Man hat hier einen Vorsprung gegenüber vielen Design-OEMs, deren Erfahrung mehr auf dem digitalen Design beruht.

Was gegen eine Eigenentwicklung spricht

Während die Entwicklung einfacher Netzteile recht simpel sein kann, ist ein voll qualifiziertes Design, das alle Performance-Anforderungen und Vor-schriften erfüllen soll, etwas schwieriger. Und dabei sind noch nicht einmal die Kosten und die Beschaffung der Bauteile für das komplette Design mit berücksichtigt. Beginnen wir mit dem Design an sich.

ICs können eine komplexe Topologie enthalten, aber jeder AC/DC-Wandler besteht aus vielen weiteren aktiven und passiven Komponenten. Die Definition und Beschaffung dieser Bauteile kann schwierig sein, vor allem wenn deren sekundäre Charakteristika eine Rolle spielen. So ist ein Kondensator primär durch seine Kapazität und Arbeitsspannung definiert, aber sein ESR (äquivalenter Serienwiderstand) beeinflusst dessen Betrieb vor allem bei höheren Frequenzen.

Aber selbst mit dem »richtigen« Bauteil können Probleme auftreten. Denn der Einkauf kann ein nominell identisches Bauteil (z.B. eine Spule) einsetzen, um Kosten zu sparen. Damit können sich später im Feldeinsatz aber Probleme ergeben. Auch die minimalen und maximalen Betriebsbereiche eines Designs müssen bedacht werden: Soll es für eine begrenzte Netzspannung ausgelegt sein, zum Beispiel nur für 230 V ±10% oder für den gesamten Spannungsbereich von 120 V bis 230 V?

Ersteres ist etwas einfacher zu realisieren und weniger kostspielig. Man benötigt  dann aber ein weiteres Design für die anderen Netzspannungen, sobald man dieses Design weltweit vermarkten möchte. Für das Design ist dann ein Testplan erforderlich: Wie wird sichergestellt, dass es in Grenzbereichen korrekt arbeitet, zum Beispiel bei hoher oder niedriger Last, bei maximaler Umgebungstemperatur und bei Netz-/Last-Transienten - und das alles gleichzeitig?

Dann geht es um die Kühlung: Reicht Umluftkühlung aus? Sind alle Tools zur Modellierung des Netzteils und seiner Betriebsumgebung vorhanden, um zu garantieren, dass der verfügbare Luftstrom ausreicht? In welcher Orientierung arbeitet das Netzteil? Dies kann bezüglich der Kühlung einen großen Unterschied machen. Ist ein Lüfter erforderlich? Und wenn ja, wie groß?

Falls ein Netzteil selbst entwickelt wird, kommt meist ein IC oder Chipsatz von Anbietern zum Einsatz, die auch ein Referenzdesign bieten. Wurde dieses Referenzdesign tatsächlich jemals gebaut, oder besteht es nur in einem Stromlaufplan, unterstützt durch eine Simulation? Die eigentliche Performance kann dann ganz anders ausfallen als erwartet, da das physikalische Layout, das Routing und die Größe der Leiterbahnen für Masse, Power und Steuerung sowie die Steckverbinder selbst mit der besten Simulation nur eine Annäherung an den tatsächlichen Schaltkreisaufbau sein können. Sogar wenn das Referenzdesign ein Leiterplatten-Layout enthält, ist besondere Vorsicht beim Ändern des Layouts oder der Stückliste geboten.

Eine scheinbar triviale Änderung kann die Performance erheblich beeinträchtigen. Denn eine Stromversorgung ist nichts anderes als ein Verstärker mit geschlossenem Regelkreis, der oszillieren und Probleme bei Transienten verursachen kann, der eine problematische Quelle für elektromagnetische Störaussendung und auch empfindlich gegenüber elektromagnetischer Beeinflussung sein kann.

Regulierungen und Standards

Selbst ein gut entwickeltes und getestetes Netzteil muss Vorschriften und Normen entsprechen.

Diese werden immer anspruchsvoller, da jedes Jahr strengere Standards zur Anwendung kommen.

Dazu zählen:

  • Grundlegende Sicherheit bezüglich Isolierung, Layout (Luft- und Kriechstrecken) und Design-Topologie.
  • Störaussendung (EMI), die durch die Betriebsfrequenz des Netzteils hervorgerufen werden, interne Signale, Schaltcharakteristika und Layout.
  • Mindestwirkungsgrad, der durch die Beziehung zwischen der aufgenommenen AC-Netzleistung und der abgegebenen DC-Ausgangsleistung bestimmt wird.
  • Typische Schaltnetzteile benötigen eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC), um einen Leistungsfaktor nahe Eins zu erzielen (IEC 61000-3-2).

Zusätzlich zu den Regulierungen kommt der weltweite Einsatz von Netzteilen als Herausforderung hinzu. Dabei sind viele verschiedene Regulierungsbehörden und deren Art von Tests und Genehmigungsverfahren zu berücksichtigen.

Während heutige ICs, Referenzdesigns und Tools die Entwicklung eigener Stromversorgungen vereinfachen, ist die Kombination aus Spezifikationen des Netzteil wie die des Herstellers N2Power für Nicht-Profis nur schwer zu erzielen - vor allem wenn alle Regulierungs- und Fertigungsstandards dabei erfüllt werden sollen (Bild 2).

Über den Autor:

Don Knowles ist Vice President Engineering bei N2Power.