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Open-Frame-Netzteile

Design-in optimal gestalten

21. Februar 2022, 15:30 Uhr | Rolf Horn, Digi-Key

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Wärmemanagement

Verlustwärme ist ein bekanntes Problem in allen elektronischen Systemen, da sie die Hauptursache für Komponentenverschleiß und stressbedingte Ausfälle ist, einschließlich Brüchen aufgrund von Temperaturschwankungen.

Viele Netzteile wie zum Beispiel die Serie LCE80 von XP Power arbeiten mit einem eingangsseitigen Netzspannungsbereich von 90 V bis 305 V, wobei selbst bei einer niedrigen Netzspannung von 90 V die volle Ausgangsleistung von 80 W zur Verfügung steht. Der Wirkungsgrad liegt bei fast 90 Prozent, was bedeutet, dass nur 8 W von der Stromversorgung als Verlustwärme abgeführt werden müssen; die restlichen 72 W stehen dem zu versorgenden System zur Verfügung. Alle Mitglieder der LCE80-Serie messen 101,6 mm × 50,8 mm × 27,9 mm. Der Betriebstemperaturbereich beträgt –40 °C bis +70 °C, wobei die volle Leistung von –30 °C (–40 °C bei 230 V Eingangsspannung) bis +50 °C zur Verfügung steht. Die berechnete mittlere Zeit zwischen zwei Ausfällen (MTBF) beträgt 300.000 Stunden nach MIL-HDBK-217F.

Alle Geräte der Serie erfüllen die zahlreichen relevanten EMV-Normen, einschließlich (aber nicht beschränkt auf) EN 55032 Klasse B für leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen; EN 55035, EN 61547 und EN 61000-4-2/3/4/5/6/8/11 für Störfestigkeit; EN 61000-3-2 Klasse C für 50 W Last und darüber. Die Sicherheitszulassungen umfassen CB IEC 62368-1 (ITE), IEC 60950-1 (ITE), UL 62368-1 (ITE), TÜV EN 62368-1 (ITE), EN 61347 (Beleuchtung) und UL 8750 (Beleuchtung).

Der Wirkungsgrad ist die entscheidende Größe, da sie bestimmt, wie die anfallende Verlustwärme zu managen ist. Open-Frame-Netzteile lassen sich mit passiver Konvektion, aktiver Zwangskühlung (Lüfter) oder einer Kombination aus beidem kühlen. Viele Entwickler ziehen es vor, Netzteile zu wählen, die so spezifiziert sind, dass sie nur mit passiver Luftkühlung auskommen und keinen Lüfter verwenden, und zwar aus einer Reihe von Gründen:

➔ Es spart direkte Stücklistenkosten und reduziert die Montagezeit des Endprodukts.
➔ Der Lüfter wird als potenzielle Fehlerquelle eliminiert, denn bei Ausfall des Lüfters kann es zu einer Überhitzung kommen und die Lebensdauer des Netzteils erheblich verkürzen.
➔ Es werden Probleme im Zusammenhang mit der Steuerung der Lüftergeschwindigkeit und des Betriebs vermieden, die normalerweise auf der Erfassung der Umgebungstemperatur basieren.
➔ Das Endgerät ist offensichtlich leiser, was in vielen Situationen ein wichtiger Faktor ist, beispielsweise in der Medizintechnik.
➔ Es wird vermieden, dass der Endnutzer durch Blockieren des Lüfter- ein- oder -auslasses unbeabsichtigt Überhitzungsprobleme verursacht.

Kurz gesagt, auf einen Lüfter zu verzichten erhöht die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems erheblich, vereinfacht die mechanische Konstruktion und reduziert die Kosten. Um lüfterlos arbeiten zu können, müssen die Entwickler im Datenblatt des Netzteils nachsehen, ob eine Zwangsbelüftung erforderlich ist, um die angegebenen Spezifikationen zu erfüllen, oder ob passive Konvektion ausreicht.

Derating und Lebensdauer

Zu dieser Prüfung gehört die Überprüfung der Höchsttemperatur, für die der Hersteller die Einhaltung aller Spezifikationen garantiert, sowie der Leistungsminderungskurve (Derating). Diese gibt an, wie stark die Ausgangsleistung bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur abzunehmen hat.

Ein gut konzipiertes Netzteil kann die Nennleistung bis zu einer Umgebungstemperatur von +50 °C und bei Eingangsspannungen bis hinunter zu 90 V zur Verfügung stellen. Im Gegensatz dazu werben einige Produkte mit einer »Spitzenleistung«, müssen die Ausgangsleistung aber bei niedriger Netzspannung und bei Umgebungstemperaturen ab +40 °C drosseln. Bei der LCE80-Serie garantiert der Hersteller die volle Leistung bis zu +50 °C, wobei die Leistung bis zu einer Höchsttemperatur von +70 °C linear auf 50 Prozent zu drosseln ist (Bild 4).

Die Einbaulage, die Ausrichtung, der verfügbare Platz, die Belastung und die umgebenden Teile sowie die Luftkühlung sind bei jeder Anwendung einzigartig. Somit ist es wichtig, die Temperatur am Open-Frame-Netzteil zu modellieren und zu messen und nicht an einer anderen Stelle im Systemgehäuse, da es zu lokalen Wärmenestern (Hotspots) kommen kann.

Ein entscheidender Faktor bei der Bestimmung der geschätzten Lebensdauer eines Netzteils ist eine Lebensdauerkurve. Dieser Parameter basiert auf der Temperatur der Elektrolytkondensatoren, die einzigen Teile mit einem Verschleißmechanismus. Alle Berechnungen der Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren beruhen auf der Arrhenius-Gleichung, wonach sich die Reaktionsgeschwindigkeit pro zehn Kelvin Temperaturerhöhung verdoppelt und damit die Lebensdauer halbiert (Bild 5). Ein guter Anhaltspunkt für die Lebensdauer lässt sich ermittelt, indem man die Gehäusetemperatur des Kondensators misst und die Arrhenius-Gleichung auf die gemessene Temperatur und Auslegungslebensdauer anwendet.

Elektromagnetische Verträglichkeit

Open-Frame-Stromversorgungen erfordern in der Regel zwei und manchmal drei Montagepunkte, die mit der Erde verbunden sein müssen, um die EMV-Normen zu erfüllen. In einem System der Klasse I ist einer dieser Anschlüsse für die Schutzerde erforderlich und befindet sich an der Eingangsseite der Baugruppe. Über diesen Anschluss werden auch die Kondensatoren für die Gleichtaktfilterung zwischen Phase und Erde sowie zwischen Nullleiter und Erde angeschlossen – auch als Y-Kondensatoren bezeichnet (Bild 6).

Diese Kondensatoren dämpfen zusammen mit den Gleichtaktdrosseln die leitungsgebundenen Störungen, die durch schnelle Spannungsänderungen in der Leistungsstufe des Netzteils entstehen. Auch ausgangsseitig sind entsprechende Filterkondensatoren nötig. Um die EMV-Konformität bei Open-Frame-Netzteilen zu gewährleisten, ist es notwendig, diese Punkte jeweils miteinander zu verbinden. Die Punkte, die zu erden oder zusammenzuschalten sind, sind in der Regel im Datenblatt des Netzteils angegeben. Am besten lassen sich diese Punkte verbinden, indem das Netzteil auf einer geerdeten Metallplatte montiert wird (Bild 7).

Diese Platte sollte mit nichts anderem verbunden sein, denn ihre Aufgabe besteht darin, einen niederohmigen Pfad mit geringen parasitären Elementen zu schaffen, um die Filterkondensatoren mit Masse zu verbinden. Montagebohrungen, die mit dem Erdungssymbol gekennzeichnet sind, sind bei Anwendungen der Klasse I mit Schutzerde oder bei Anwendungen der Klasse II miteinander zu verbinden.

Generell sollten alle Eingangs- und Ausgangskabel des Netzteils getrennt voneinander verlegt sein, und es sollte vermieden werden, dass sie sich in der Nähe der offenen Baugruppe befinden. Dadurch lassen sich mögliche Probleme minimieren, bei denen abgestrahlte Störungen aus der Stromversorgung in das Endgerät einkoppeln können.

Fazit

Entwickler können ihren Implementierungsprozess verkürzen und verbessern, indem sie sich auf eine einzige Familie von Open-Frame-Netzteilen mit unterschiedlichen Nennwerten für Spannung und Strom konzentrieren, während alle anderen Faktoren unverändert bleiben. Dies vereinfacht die Montage, die Erdung, die EMV und die thermische Analyse, die Überlegungen zur Leistungsreduzierung, die Berechnungen des Leistungsumfangs, die physischen Verbindungen und die Verkabelung.

Der Autor

Rolf Horn

Der Applikationsingenieur ist seit 2014 bei Digi-Key Electronics in der technischen Supportgruppe für Europa tätig und in erster Linie für die Beantwortung aller Art von entwicklungs- und ingenieurtechnischen Fragen von Endkunden in DACH und Benelux sowie Fachartikel und Blogs auf den Plattformen TechForum und maker.io von Digi-Key zuständig. Vor seiner Zeit bei Digi-Key arbeitete er bei verschiedenen Herstellern im Halbleiterbereich mit Schwerpunkt auf eingebetteten FPGA-, Mikrocontroller- und Prozessorsystemen für IoT, Industrie- und Automobilanwendungen