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Stromversorgungsdesign

Grundlagen zur Zuverlässigkeit von Netzteilen

12. Februar 2014, 16:28 Uhr | Arun Ananthampalayam, CUI

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Belastende Faktoren bei Netzteilen

Die Lebensdauer einer Stromversorgung wird durch drei Belastungsarten beeinträchtigt: thermische, mechanische und elektrische Belastung. Ein hochwertiges Design berücksichtigt alle drei Arten und sorgt dafür, deren Auftreten und Auswirkungen zu minimieren.

Thermische Belastungen treten als statische und dynamische Belastungen auf. Bei statischen thermischen Belastungen wird die Stromversorgung bei erhöhten Temperaturen betrieben, was die Bauteile und deren Materialien verschlechtert. Elektrolytkondensatoren können austrocknen oder deren Dichtungen werden belastet, und sogar Widerstandsbeschichtungen können schlechter werden und aufbrechen. Steckverbindungen und Verbindungsstellen können sich ausdehnen und zu einem Versatz führen. Dynamische Belastungen hängen mit den Aufheiz- und Abkühlzyklen sowie der zugehörigen Expansion/Kontraktion zusammen, die zu kleinen Rissen führen.

Die mechanische Beanspruchung hängt davon ab, wo die Stromversorgung installiert ist und wie sie genutzt wird. Diese Belastungen können unregelmäßig wiederkehrende und schwere Ausfälle verursachen, da sich Risse entwickeln und Schaltkreisverbindungen öffnen und in einigen Fällen wieder schließen.

Elektrische Belastungen sind die angelegte Spannung und der Strom. Überlastung tritt auf, wenn ein Bauteil jenseits seines Nennwertes betrieben wird – entweder durch verkehrte Auswahl oder durch einmalige Ereignisse. Ein Kondensator kann z.B. für 100 V ausgelegt sein, erfährt aber im Betrieb eine Spannungsspitze von 150 V.

Zuverlässigkeit durch das richtige Design

Das Design sollte sorgfältig erfolgen und die Topologie einer Stromversorgung sollte robust sein. Last- und Netztransienten müssen berücksichtigt werden, genauso wie Störungen (Rauschen). Entwickler sollten auch die erforderlichen Minimal-/Maximalwerte der Bauteilparameter bestimmen, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten (ein »typischer« Wert ist nahezu bedeutungslos). Dazu zählen auch die Zweit- und Drittparameter, einschließlich der wenig beachteten Faktoren in den magnetischen Bauteilen, wie z.B. der Temperaturkoeffizient. Bei der thermischen Analyse von Designs hat sich immer wieder gezeigt, dass die physikalische Umsetzung entscheidend ist.

Eine Simulation mit SPICE oder eine ähnliche Modellierung des Designs ist wichtig, um die Bauteile, Leiterplatten und Leiterbahnen mit realistischen, nicht vereinfachten Modellen hinsichtlich statischer und dynamischer Leitungsfähigkeit zu verifizieren. Die Bauteile sind auf konservativer Basis hin auszuwählen, mit zusätzlichem Spielraum bei anfänglichen und langfristigen Werten. Hinzu kommt, dass das Platinenlayout bei den meisten Stromversorgungen hohe Ströme verarbeiten muss, meist im Bereich 10 A, 20 A oder mehr.

Nach dem Design erfolgt die Auswahl bestimmter Bauteile. Da es fast unmöglich ist, eine schlecht gefertigte oder gefälschte Einheit zu erkennen, ist die Glaubwürdigkeit des Zulieferers entscheidend. Hinzu kommt, dass die Bauteile kompatibel zum Fertigungsprozess sein müssen, inklusive Befestigungslaschen, ausreichend Verbindungspunkten und Leitungen oder ggf. Schraubklemmen.

Bezüglich eines fertigungsgerechten Designs sollte auch der Lötprozess beachtet werden. Gängige Reflow-Lötprozesse sind etabliert, und die Vorschriften bezüglich bleifreier Bauteile und Lote erfordern ein anderes Reflow-Lötprofil. Alle Bauteile müssen zudem die Spezifikation für die höheren Temperaturen des Reflow-Prozesses und die längere Lötdauer erfüllen.