Derating in der Praxis

Von Äpfeln und Birnen

16. Mai 2022, 15:00 Uhr | Stephen Dodson, XP Power
Apples, Pears
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Das Derating, die Minderung der Ausgangsleistung bei steigender Temperatur, ist für die Anwender von Stromversorgungen eine wichtige Angabe. Leider werden diese Spezifikationen in den Datenblättern oft versteckt. So kann es passieren, dass Anwender bei der Auswahl Äpfel mit Birnen vergleichen.

  • Derating bei der Temperatur

  • Derating bei der Eingangsspannung

  • Derating des Gesamtsystems

  • Derating bei DC-DC-Wandlern

Durch den steigenden Wettbewerbsdruck in Bezug auf die Abmessungen, die Leistungsdichte und die Kosten von Stromversorgungen kommen immer mehr Netzteile auf den Markt, bei denen die Spezifikationen für die Nennleistung durch ein »kreatives« Derating »optimiert« werden. Hinzu kommt, dass Derating-Informationen oft nicht auf den ersten Blick zu erkennen sind und sich normalerweise ganz am Schluss des Datenblatts befinden, also abseits der Kerndaten. In einigen Fällen enthält die Kurzfassung oder die Katalogversion der Daten diese Details überhaupt nicht.

Deswegen müssen Anwender bei der Auswahl einer Stromversorgung sorgfältig darauf achten, dass diese auch unter allen Umständen für die jeweilige Anwendung geeignet ist. Die Derating-Spezifikationen beziehen sich auf die Reduzierung der angegebenen Nennleistung eines Netzteils im Betrieb bei höheren Umgebungstemperaturen oder niedriger Netzspannung. Damit soll vermieden werden, dass die Temperatur der Komponenten unzulässig ansteigt und sicherheitskritische Isolationskomponenten ihre thermischen Grenzen überschreiten.

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Derating bei der Temperatur

XP Power, Derating
Bild 1. Derating-Kurve in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur.
© XP Power

Bei fast allen Stromversorgungen gibt es eine Derating-Kurve in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur (Bild 1). Bei Produkten, die für den Einbau ins Endgerät konzipiert sind, beginnt diese Derating-Kurve in der Regel bei Um- gebungstemperaturen von über +50 °C. Die zulässige Ausgangsleistung sinkt bei einer maximalen Umgebungstemperatur von +70 °C in der Regel auf die Hälfte. Eine kleine Anzahl von Herstellern, deren Produkte auch bei niedrigen Temperaturen zum Einsatz kommen, mindert die Ausgangsleistung auch bei Temperaturen unter 0 °C. Bei externen Netzteilen beginnt das Derating in der Regel bei +40 °C, da diese Produkte nicht dem Temperaturanstieg im Endgerät ausgesetzt sind.

In jüngster Zeit haben einige Hersteller Open-Frame-Netzteile auf den Markt gebracht, bei denen die maximale Umgebungstemperatur für den Betrieb mit voller Leistung auf +40 °C begrenzt ist und die Ausgangsleistung bei einer maximalen Umgebungstemperatur von +60 °C auf die Hälfte sinkt. Der Grund dafür ist der Temperaturanstieg bei den Komponenten, der zu hoch ist, um auch bei +50 °C die volle Ausgangsleistung zu erbringen. Dies hängt mit den Spezifikationen der Komponenten, der Betriebslebensdauer und den Anforderungen an die Produktsicherheit zusammen.

Eine solche »Kunstfertigkeit« bei der Datenblattgestaltung (Specmanship) bietet auf dem Papier zwar eine höhere Nennleistung und suggeriert auf den ersten Blick eine kompaktere Bauweise oder niedrigere Kosten. Wenn es jedoch in Endgeräte integriert wird, die bei einer Umgebungstemperatur von +40 °C arbeiten müssen, verringert sich die verfügbare Ausgangsleistung automatisch um ein Viertel oder mehr. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass ein solches Produkt mit einer im Datenblatt spezifizierten Nennleistung von beispielsweise 100 W in der Praxis eigentlich ein 75-W-Produkt ist und nicht mit anderen Geräten der gleichen Leistung vergleichbar ist, die für den Betrieb bei +50 °C ausgelegt sind. Damit würde man die sprichwörtlichen Äpfel mit Birnen vergleichen.

Derating bei der Eingangsspannung

XP Power, Derating
Bild 2. Derating-Kurve in Abhängigkeit von der Eingangsspannung.
© XP Power

Produkte, die für den weltweiten Einsatz konzipiert sind, haben einen universellen Eingangsbereich, der in der Regel von 90 V bis 264 V reicht. Normalerweise wird von einem Produkt mit Universaleingang erwartet, dass es die volle Nennleistung über diesen Eingangsbereich bereitstellt. Allerdings liefern einige Produkte auch bei niedrigeren Eingangsspannungen bis hinunter zu 85 V oder 80 V eine geringere Ausgangsleistung, um den Betrieb in Regionen abzudecken, in denen die Netzspannung anfällig für Einbrüche ist (Bild 2).

In den letzten Jahren ist es bei einigen Herstellern üblich geworden, für Eingangsspannungen unter 100 V oder in manchen Fällen sogar 115 V ein Derating vorzusehen und dadurch die Nennleistung des Produkts zu »erhöhen«. Im schlimmsten Fall kann eine solche Reduzierung der Nennleistung bis zu 20 Prozent betragen, wenn das Gerät mit 90 V betrieben wird.

Durch ein solches Derating in den Spezifikationen erscheint es, als ob das Produkt eine höhere Leistungsdichte aufweist und kostengünstiger ist. Soll die Anwendung jedoch weltweit eingesetzt werden, ist im Grunde eine leistungsfähigere Version des Netzteils erforderlich. Anders ausgedrückt: Ein Netzteil mit einer Nennleistung von 100 W kann in der Praxis nur 80 W liefern. Auch hier kann es also passieren, dass man Äpfel mit Birnen vergleicht.

Durch ein Derating der Eingangsspannung soll verhindert werden, dass der Eingangsfilter, der Brückengleichrichter und die PFC-Stufe überhitzen, weil der Eingangsstrom steigt. Einige Verluste nehmen proportional zum Strom zu, aber die ohmschen Verluste beispielsweise in den EMV-Drosseln steigen quadratisch mit dem Strom. Ist das Endgerät für den weltweiten Einsatz bestimmt, ist darauf zu achten, dass die Nennleistung des Netzteils bei niedrigen Netzspannungen ausreicht, da ein Überschreiten der Derating-Spezifikation zu Problemen bei der Zuverlässigkeit und Lebensdauer führen kann.

Derating des Gesamtsystems

Manchmal werden sowohl das thermische Derating als auch das Derating bei niedriger Netzspannung gemeinsam spezifiziert, sodass ein 100-W-Netzteil nur noch 60 W liefern kann, wenn es bei einer Umgebungstemperatur von +50 °C und einer Netzspannung von 90 V eingesetzt wird. Ein solches Produkt lässt sich natürlich nicht mit einem vergleichen, das eine Nennleistung von 100 W über den gesamten erforderlichen Eingangs- und Temperaturbereich bietet, sondern ist mit einem Produkt mit einer Nennleistung von 60 W zu vergleichen. Dies macht die vermittelten Vorteile hinsichtlich Abmessungen, Leistungsdichte und Kosten zunichte.

Darüber hinaus gibt es Vorschriften für das Derating des Gesamtsystems. So können beispielsweise alle Komponenten mit 80 Prozent ihrer Nennleistung spezifiziert werden, um eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Wurden die Feinheiten der Derating-Kurven nicht beachtet, könnte das System unter Verletzung dieser Entwurfsregeln fertiggestellt und abgenommen werden. Dies könnte sich nachteilig auf die Lebensdauer und Zuverlässigkeit auswirken.

Obwohl die Produktspezifikation ein Derating unter bestimmten Anforderungen an Netzspannung und Umgebungstemperatur vorschreibt, begrenzt das Netzteil die verfügbare Leistung am Ausgang nicht selbstständig, sondern liefert weiter die volle Ausgangsleistung. Wird das Produkt außerhalb des Derating-Bereichs betrieben, drohen schwerwiegende Folgen in Bezug auf die Zuverlässigkeit, die Produktlebensdauer und möglicherweise die Sicherheit, wenn die thermischen Grenzen der Isolationsbarrieren überschritten werden.

Derating bei DC-DC-Wandlern

Zusätzlich zu den Vorgaben für das Derating bei der Temperatur gelten für DC-DC-Wandler in der Regel auch eine maximale Temperatur für das Gehäuse oder die Bodenplatte. Die Arbeitsumgebung für diese Baugruppen ist in der Regel eine andere als für ein Netzteil. In der Regel werden sie direkt auf die Leiterplatte gelötet und wie jedes andere Bauteil auf der Leiterplatte verwendet – meist umgeben von anderen Bauteilen unterschiedlicher Größe. Daher reichen der Luftstrom und der Platz unter Umständen nicht aus, und das Systemgehäuse kann die Entwärmung weiter einschränken. Dadurch könnte die zulässige Gehäusetemperatur überschritten werden, selbst wenn die Umgebungstemperatur innerhalb der Spezifikationen liegt.

Um thermische Risiken zu minimieren, sollte man die lokale Umgebungstemperatur kennen und sicherstellen, dass die Umgebung des Wandlers so beschaffen ist, dass dessen Leistungsfähigkeit in keiner Weise beeinträchtigt wird. Um den Wandler herum sollte ausreichend Platz sein, damit die Luft frei zirkulieren kann (Konvektion) und die Vorgaben für die Gehäusetemperatur nicht überschritten werden. Bei der thermischen Auslegung des Systems sollten diese Temperaturen gemessen werden, um sicherzustellen, dass die thermischen Grenzwerte nicht überschritten werden.

Dodson Stephen
© XP Power

Stephen Dodson
arbeitet seit über zwanzig Jahren bei XP Power und ist derzeit als Engineering
Services Manager für die europäische Custom Power Division verantwortlich. Diese Rolle erfordert einen praktischen Ansatz zur Problemlösung und zum Projektmanagement. Dodson leitet ein Team von erfahrenen Ingenieurinnen und Ingenieuren und deckt eine Reihe von Aufgaben ab, die von der Erstellung von Spezifikationen über die Konzeption, die Entwicklung von Prototypen bis hin zu Tests und Konformitätsprüfungen reichen.


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