Standard, kundenspezifisch oder modular Wann konfigurierbare Netzteile nutzen?

Konfigurierbare Stromversorgungen von Artesyn, Excelsys und Mean Well.

Um Kosten zu senken, verwenden Entwickler in der Regel Standard-Bauelemente. Das ist aber bei Netzteilen nicht immer die beste Entscheidung. Berücksichtigt man Time-to-Market und Flexibilität, lassen sich durchaus auch kosteneffiziente werks- oder feldkonfigurierbare Stromversorgungen bereitstellen.

Oft wird angenommen, dass Produktdesigns, die auf Standardnetzteile setzen, automatisch kostengünstiger sind als Varianten, in denen kundenspezifische oder konfigurierbare Netzteile zum Einsatz kommen. Es stimmt, dass die NRE-Kosten (Non-Recurring-Engineering) bei den heutigen schnellen Produkteinführungen und Upgrades möglicherweise nicht mehr hereingeholt werden können, wenn eine kundenspezifische Lösung in Auftrag gegeben wird – die Risiken sind dabei hoch und die Entwicklungszeit kann länger dauern als erwartet. Selbst in militärischen Entwicklungsprogrammen, die in Jahrzehnten gemessen werden, sind COTS-Bauteile (Commercial Off-the-Shelf) bevorzugt. Dennoch sollten konfigurierbare Bauteile nicht pauschal verworfen werden.

Standard ist nicht alles

»Sie können jede Farbe wählen – solange sie schwarz ist.« Ob Henry Ford diesen Satz nun tatsächlich so gesagt hat, sei dahingestellt. Eins ist aber sicher: Wenn es um die Spezifikation von Stromversorgungen geht, würde diese Aussage das Leben der Hersteller sicherlich enorm erleichtern. Natürlich konzentrieren sich die Hersteller von Stromversorgungen auf Standardmodelle, die so spezifiziert sind, dass sie den größten Teil der Anwendungen abdecken. Wenn ein Hersteller den größten Teil seines Angebots als eine einzelne konfigurierbare Variante verkaufen kann, können die Kosten auf dem Markt erstaunlich nahe am »Standard« liegen.

Häufig wird argumentiert, dass ein »Standard«-Bauteil an viele Kunden geliefert wird und die Hersteller daher von Skaleneffekten profitieren. Glaubt man daran, dass die Einsparungen immer an die Kunden weitergegeben werden, dann ist dies sicherlich rühmlich. Hier liegt aber ein Trugschluss vor: Denn jeder Hersteller von Stromversorgungen müsste Hunderte, wenn nicht gar Tausende von »Standards« vorhalten, um die Anforderungen des Marktes zu erfüllen. Dazu braucht man nur einen Blick auf die Produktlisten werfen, die verschiedene Varianten von bekannten Herstellern enthalten. Dafür sind lange Lieferantenlisten (mit Zulassung) und Unmengen an Dokumentation erforderlich. Würden weniger Varianten angeboten, die sich für mehr Anwendungen eignen, ließen sich echte Einsparungen erzielen und an den Endnutzer weitergegeben. Hier können konfigurierbare Produkte sowohl für Hersteller als auch für deren Kunden von Vorteil sein.

Muss die Stromversorgung in den »Platz, der übrig ist« passen?

Energie- und Kosteneinsparungszwänge machen Systementwicklern immer wieder deutlich, dass ihr Stromversorgungssystem längst kein »nachträglich hinzuzufügendes Bauteil« mehr ist. Diese veränderte Wahrnehmung führt dazu, dass Stromversorgungsspezifikationen wie Nennleistung, Größe, Spannungsschienen und Sicherheitskonformität bereits während der Entwicklung festgelegt werden müssen. Hinzu kommen Überwachungs- und Steuerungsfunktionen. Das hat zu Folge, dass Entwickler die vorgegebene Leistungsspezifikation umgehen müssen, die aus Standardangeboten ausgewählt wurden, was den Umfang des Designs einschränkt.

Zu viele Kompromisse sind nicht ratsam, das weiß jeder Entwickler. Zu hoch ist das Risiko, dass das Netzteil und seine Spezifikation während der Projektphase geändert werden müssen und damit die mechanische Anordnung durch­einander gebracht werden könnte. Die Entscheidung, das Netzteil als Standard zu fixieren, wird dann verworfen und die Suche beginnt von vorne – mit allen damit verbundenen Kosten und Risiken.

Die Alternative besteht darin, von Anfang eine konfigurier- oder programmierbare Stromversorgung zu spezifizieren. Sie setzt sich aus einer Basiseinheit mit Netzfilterung und einer Leistungsfaktorkorrekturstufe zusammen, gefolgt von Einsteckmodulen zur individuellen Ausgangsisolierung und -regelung. Jetzt lassen sich Spezifikationsänderungen im schlimmsten Fall mit einem Modulwechsel oder manchmal auch nur durch Einstellen eines Potenziometers auf eine andere Spannung umsetzen. Viele konfigurierbare Netzteile sind beispielsweise in der Lage einen einzelnen Ausgang von 5 bis 3,3 V ohne Auswirkungen auf andere Ausgänge anpassen. Die Nennleistungen des Moduls können dabei für die Basiseinheit maximal werden und die Ausgänge können parallel oder in Reihe geschaltet werden, um den Strom- beziehungsweise Spannungspegel zu erhöhen. In der Regel bemüht sich der Hersteller darum, dass die konfigurierbare Stromversorgung die Worst-Case-Spezifikationen erfüllt. Daher kann man davon ausgehen, dass auch die strengsten EMV- und medizintechnischen Sicherheitsvorschriften erfüllt werden, einschließlich für Anwendungen am Patienten (2 x MOPP).

Das Argument für eine konfigurierbare Stromversorgung zu höheren Stückkosten wird von der Annahme gestützt, dass sich die Wahl des Standardnetzteils während der Entwicklungsphase stets ändern kann und ein anderes Standardnetzteil erforderlich wird.

Mehr Spielraum für Entwickler

Sich bereits zu Beginn für eine konfigurierbare Stromversorgung zu entschieden, hat positive Auswirkungen. Solange der richtige Platz beziehungsweise die Stellfläche im Endprodukt zugewiesen ist, kann die Wahl der Stromversorgung in den späteren Phasen der Produktentwicklung erfolgen – wenn die tatsächlichen Spannungen, Leistungsstufen und signaltechnischen Anforderungen bekannt sind. Der Entwickler hat so genügend Spielraum, um seinen Teil des Designs ohne Leistungseinschränkungen optimieren zu können.
Diese Flexibilität kann dazu verwendet werden, das Endprodukt für seine Anwendung maßzuschneidern. Die Marketingabteilung wünscht sich vielleicht noch eine Basisversion – dafür werden dann Module einfach entfernt oder verkleinert. Ist eine voll funktionsfähige Option mit allen Extras erforderlich, werden dagegen Module hinzugefügt oder aufgerüstet. Die Marktein­führung von Varianten wird durch diese Art der Kon­figurierbarkeit erheblich beschleunigt.

Entwickler konfigurierbarer Stromversorgungen wissen, dass Flexibilität für ihr Produkt entscheidend ist, so­dass sie zum Beispiel oft vollständig isolierte Ausgänge aufweisen.

Standardstromversorgungen verfügen über eine gemeinsame Masse für mehrere Ausgänge, sodass Erdungssysteme hinsichtlich der EMV und Funktionalität nicht optimal sind. Netzteile mit mehreren Ausgängen erfordern oft auch eine Mindestlast an einem spezifizierten Hauptausgang, unter der andere Ausgänge außerhalb der Spezifikation liegen. Konfigurierbare Netzteile mit ihren individuell geregelten Ausgängen weisen diese Einschränkung nicht auf. Bild 1 zeigt am Beispiel der CoolX-Reihe von Excelsys, wie einzelne Ausgänge gesteuert werden.