Praxistipp Technische Kriterien für eine Netzteilauswahl

Eher sorgenfrei geschieht in der Geräteentwicklung die Auswahl der Stromversorgung. Doch es geht um vieles mehr als nur um Strom und Spannung. Der Autor erklärt, was nach Priorität zu bewerten ist.

Die Stromversorgung ist oftmals das Stiefkind in einer Systementwicklung. Nach dem Motto: Das Netzteil muss ja nur Spannungen sicher auf ein (in der Regel niedrigeres Niveau) heruntersetzen. Erst wenn der Entwickler die Laborstromversorgung am Arbeitsplatz ausschaltet und sich um das Seriennetzteil kümmert, wird die Komplexität des Themas deutlich. Aber dann ist es oft zu spät, wodurch Verzögerungen und vermeidbare Kosten entstehen. Ein Netzteil befindet sich in einem Konglomerat aus technischen, kaufmännischen und normativen Anforderungen. In diesem Artikel soll überwiegend auf die technischen Details eingegangen werden.

Welches sind denn nun die häufigsten Randbedingungen während des Design-in von Schaltnetzteilen? Aus Sicht des Entwicklers sind die wohl wichtigsten Parameter Ausgangsspannung(en) und Leistung, Eingangsspannung, Zulassungen und die Baugröße. Selbst bei diesen nur fünf Parametern ist eine genauere Definition unabdingbar. Dazu werden die essentiellen Charakteristika skizziert.

Versorgungsspannung und Betriebsfrequenz: Die Versorgungsspannung eines Netzteils definiert sich über den Nennwert der Eingangsspannung, z.B. 100 bis 240 VAC, und den Arbeitsbereich. Dieser wird in der Regel mit Toleranzen von +/-10% ausgewiesen, sodass sich ein Eingangsspannungsbereich von 90 bis 264 VAC ergibt. Ähnliches gilt für die Betriebsfrequenz mit 50 bis 60 Hz als Nennwert und analog 47 bis 63 Hz als Arbeitsbereich.

Eingangsspannungs-Derating: Je nach Netzteil, Kühlungssituation (aktiv oder lüfterlos), Temperatur und Leistung, muss im unteren Eingangsspannungsbereich die Dauerleistung reduziert werden. Solch ein Eingangsspannungs-Derating ist im Datenblatt ausgewiesen und kann beispielsweise wie in Bild 2 gezeigt aussehen.

Ist gewährleistet, dass die Kunden die Geräte nur in Europa betreiben, könnte man obiges Netzteil fast zu 100% belasten. Ist jedoch von einem weltweiten Betrieb auch in den USA oder in Japan auszugehen, kann das Netzteil nur 70% der möglichen Leistung bereitstellen.

Ausgangsleistung: Bei der Kenngröße Ausgangsleistung ist zwischen Dauer- und Spitzenleistung (Peak) zu unterscheiden. Die Angabe der Peak-Leistung ist dann von Interesse, wenn seitens der Anwendung hohe Anlaufströme, etwa von Motoren, gefordert werden. Neben dem reinen Wert der Peak-Leistung sind zusätzlich die Dauer und die Wiederholfrequenz (duty cycle) zu berücksichtigen.

Nominalleistung und Maximalleistung: Bei Netzteilen mit Mehrfachspannungen wird oftmals eine entsprechende Nominalleistung pro Ausgang definiert. Die Summenleistung der Ausgänge ergibt dann i.d.R. die Nominalleistung des Netzteils. Typischerweise lässt sich jeder Ausgang auch dauerhaft höher belasten. Dieser oft als Maximalleistung definierte Wert erlaubt eine Verschiebung der Leistung zwischen den einzelnen Ausgängen, sofern sich die Summenleistung innerhalb der Netzteilspezifikation bewegt.

Spannungstoleranzen: Bei der Netzteilauswahl müssen je nach Anwendung auch Spannungstoleranzen berücksichtigt werden. Diese lassen sich in folgende Gruppen einteilen:

• Initiale Einstellung ab Werk: Das ist die Genauigkeit, mit welcher der Hersteller die Ausgangsspannung ab Werk einstellt. Das zugrundeliegende Setting, z.B. Last, Temperatur, Eingangsspannung, ist im Datenblatt vorgegeben. Dies ist gleichzeitig der Bezugswert zusätzlicher Toleranzen, die sich beispielsweise aus den Toleranzen der Bauteile ergeben. Der Wert liegt in der Regel bei +/-1% bis +/-2% bezogen auf die Sollspannung.

• Netztoleranz: Wie verändert sich die Ausgangsspannung bei konstanter Last, wenn sich die Eingangsspannung ändert? Meist ist der Wert vernachlässigbar klein und liegt deutlich unter der typischen +/-1%-Angabe des Datenblattes.

• Lasttoleranz bei Einfachspannungen: Hier gibt es massive Unterschiede zwischen verschiedenen Netzteiltypen. Generell wird die Lasttoleranz basierend auf einem Ausgangswert (meist 60% der Nennleistung) und zwei Lastpunkten (100% und 20% der Nominallast) vermessen. Bei einem Open-Frame-Netzteil mit nur einer Ausgangsspannung sind die Unterschiede zwischen 20% und 100% Last sehr gering. Das Netzteil misst direkt an den Ausgangsklemmen die Ist-Spannung und führt sie einem Vergleicher zu, welcher die Primärseite nachregelt. Bei einem Tisch- oder Steckernetzteil ist das prinzipiell identisch, jedoch erweitert um das Ausgangskabel, an dessen Ende gemessen wird. Der Wert der Ausgangsspannung spielt hierbei eine bedeutende Rolle. Man kann sich leicht vorstellen, dass bei einem 5-V-Adapter im Vergleich zu einem 48-V-Adapter deutlich mehr Strom fließt (bei identischer Leistung). Deshalb und aufgrund des Wirkungsgrades werden bei kleinen Spannungen höhere Leitungsquerschnitte eingesetzt. Doch selbst bei verdoppeltem Querschnitt ergeben sich deutliche Unterschiede in der Lastregelung, weswegen zusätzlich kürzere Ausgangskabel verwendet werden.

• Lasttoleranz bei Multispannungsgeräten: Im Falle von Netzteilen mit mehreren Ausgangsspannungen richtet sich die Lasttoleranz in erster Linie nach dem technischen Aufbau. Bei Netzteilen mit kleinerer Leistung gibt es oftmals einen Hauptausgang, der in seinen Toleranzen einem Netzteil mit Einfachausgang entspricht. Die Nebenspannungen nutzen den Regelkreis des Hauptausganges indirekt mit. Dies hat zur Folge, dass in diesen Fällen ein kleiner Mindeststrom auf dem Hauptausgang fließen muss und die Nebenstrecken eine erhöhte Lasttoleranz von etwa +/-3% bis +/-7% aufweisen. Ein Unterschreiten des Mindeststromes führt in aller Regel nicht zum Defekt des Netzteils, kann aber zu erhöhten Toleranzen der Nebenspannungen führen. Bessere Toleranzen werden bei komplett geregelten Multispannungsnetzteilen mit größeren Ausgangsleistungen erreicht. Je nach Design bestehen diese Geräte aus einem starken Hauptausgang und zusätzlichen Nebenausgängen, welche mittels DC/DC-Wandlern aus dem Hauptausgang gespeist werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, durch Mehrfachabgriffe am Übertrager jedem Zusatzausgang einen DC/DC-Wandler zur Regelung nachzuschalten. Mit beiden Topologien werden typische Toleranzwerte von +/-1% bis +/-2% erreicht.

Restwelligkeit: Die Kenngröße Restwelligkeit ergibt sich größtenteils aus der primären Taktung des Schaltreglers und aus der Netzfrequenz. Soll die Restwelligkeit (auch Ripple) vermessen werden, ist die Beschaltung der Leitungen an der Last mit einem kleinen Elektrolytkondensator parallel zu einem Keramik- oder Folienkondensator zu empfehlen. Andernfalls ergeben sich durch Streuung und Kopplung in die hochohmige Prüfspitze falsche Werte, die deutlich oberhalb der real existierenden Restwelligkeit liegen.

Umgebungstemperatur und Betriebstemperatur: Ein sehr wichtiger aber oftmals stiefmütterlich beachteter Punkt des Design-ins sind die Umgebungstemperatur/Betriebstemperatur und die Kühlungsbedingungen. Speziell bei Anwendungen mit Konvektionskühlung und höheren Temperaturen ist dies wohl der Parameter mit dem größten Einfluss auf die Auswahl der Stromversorgung. Während aktiv gekühlte Netzteile noch relativ einfach zu parametrisieren sind, müssen bei konvektionsgekühlten Systemen folgende Bedingungen beachtet werden: Umgebungstemperatur, Einbaulage, Ausgangsleistung und Kühlungsbedingungen. Basis ist hierbei die Derating-Kurve der Temperatur aus dem Datenblatt des Netzteils. Sie basiert auf einem Faktor, welcher in %/K ab einer bestimmten Starttemperatur zu berücksichtigen ist. Bei manchen Herstellern wird der Wert auch nur in Textform angegeben. Bis zu diesem Punkt hat die Betriebstemperatur keinen Einfluss auf die Leistungsabgabe des Netzteils. Markttypische Werte sind -2,5%/K ab 40 °C oder 50 °C aufwärts.

Im folgenden Beispiel soll eine Dauerleistung von 45 W bei 70 °C im lüfterlosen Betrieb gewährleistet werden. Es stehen drei verschiedene Netzteile zur Auswahl: 90-W-Netzteil mit -2,5%/K ab 50 °C, 60-W-Netzteil mit -2,5%/K ab 50 °C und das 60-W-Netzteil MPE-S065 mit -0,75%/K ab 50 °C. Diese im Datenblatt auf den ersten Blick sehr ähnlichen Derating-Faktoren führen in der Praxis jedoch zu deutlichen Unterschieden. Die geforderte Leistung von 45 W@70 °C wird mit dem 90-W-Netzteil gerade so erreicht, während das 60-W-Netzteil nur mit 30 W bei 70 °C belastet werden darf. Das MPE-S065-Netzteil, obwohl nominal nur 60 W stark, kann hier permanent mit 51 W bei 70 °C belastet werden und hat damit sogar noch Reserven zu den geforderten 45 W.

Egal ob nun Derating der Eingangsspannung oder der Temperatur, das Netzteil führt die Rücknahme der Leistung nicht selbst durch. Es wird sogar eine gewisse Zeit unter diesen Bedingungen arbeiten, jedoch wird die Lebensdauer dadurch sehr stark eingeschränkt. Der zuständige Entwickler sollte daher prüfen, ob das ausgewählte Netzteil auch unter Worst-case-Bedingungen sicher zu betreiben ist.

Einbausituation: Es ist naheliegend, dass ein konvektionsgekühltes Netzteil, welches noch dazu über Kopf eingebaut ist, unter anderen Temperaturbedingungen arbeiten muss als ein Netzteil mit den Bauelementen nach oben. Um den Einfluss unterschiedlicher Einbaulagen zu erfassen, gibt es prinzipiell drei Möglichkeiten:

• Möglichkeit 1: Der Hersteller hat für bestimmte Bauteile Temperaturlimits vorgeben.

• Möglichkeit 2: Der Hersteller bietet eine Applikationsnachstellung an, mit der er die Einsatzbedingungen des Kunden (wie Temperatur-, Einbau- und Lastbild) nachbildet. Er kann so mittels Messungen genaue Aussage treffen, ob das Netzteil unter diesen Bedingungen einzusetzen ist.

• Möglichkeit 3: Der Hersteller hat bereits verschiedene Einbaubedingungen in seinem Datenblatt erfasst.

Sowohl eine abweichende Einbaulage als auch eventuell eine Abdeckung, die die freie Konvektion behindert, müssen zwingend berücksichtigt werden. Schnell entstehen dadurch Abweichungen von 10% bis 20% gegenüber der normalen Einbaulage. Besonders in solchen speziellen Einsatzsituationen ist der sicherste Weg zum optimal passenden Netzteil eine Applikationsnachstellung zusammen mit dem Hersteller.

Störaussendung und Störbeeinflussung

Betrachten wir nun die elektromagnetische Verträglichkeit hinsichtlich der Norm IEC61000-3-2, die direkt in Verbindung zur Ausgangsleistung steht. Beim Anschluss an das öffentliche Netz mit maximal 16 A und einer Eingangsleistung zwischen 25 bis 1000 W muss die Stromversorgung die Grenzwerte der Ströme der harmonischen Oberwellen einhalten. Die entsprechenden Limits ergeben sich aus dem Endprodukt, das in eine der folgenden Gruppen einzuordnen ist: Klasse A (3-Phasen-Geräte und alle Geräte die nicht unter B, C und D fallen), Klasse B (Elektrowerkzeuge), Klasse C (Beleuchtungssysteme) und Klasse D (TV, PC/IT). Der Herstellungsaufwand für eine PFC der Klasse D ist größer als der Herstellungsaufwand für eine Klasse A-PFC. Für viele Anwendungen ist die Klasse A jedoch vollkommen ausreichend. So lassen sich bei entsprechender Vorauswahl Kosten einsparen.

Auch konstruktive Einflüsse auf die EMI und EMV gibt es. In vielen Fällen sind es nur Kleinigkeiten, die das Ergebnis abert deutlich verändern. Um das zu veranschaulichen, haben wir in einem Blechgehäuse ein Schutzklasse-I-Schaltnetzteil mit entsprechender Widerstandslast verkabelt. Sowohl Eingangs- als auch Ausgangskabel sind möglichst kurz gehalten. Dann haben wir die Emissionen leitungsgeführt und die Abstrahlung in der TEM-Zelle gemessen. Beide Kurven lagen in der Übersichtsmessung im relevanten Frequenzbereich (Sweep) deutlich unter den entsprechenden Limits (Messungen 3 und 5). Im zweiten Schritt der Überprüfung legten wir die Netzleitung über das Netzteil hinweg parallel zur Lastleitung (Netzteil gedreht). Diese Messungen ergaben ein völlig anderes Ergebnis. Die Limits werden ohne Zusatzmaßnahmen nicht eingehalten (Messungen 4 und 6). Für den Konstrukteur der Stromversorgung dagegen ist der Unterschied beider Einbauvarianten in der Fertigung eher gering.

Die Gehäuseart und die Auswirkung auf die EMV

Auch wenn Metall- oder Kunststoffgehäuse zur Auswahl stehen, ist die Auswirkung auf die EMV nicht zu vernachlässigen. Natürlich prüfen alle Netzteilhersteller ihre Geräte auf die Einhaltung der entsprechenden Grenzwerte. Doch oftmals werden bei den Tests die Netzteile einschließlich der Lastwiderstände in ein Metallgehäuse eingebaut oder auf eine Metallplatte geschraubt. Dies führt zu anderen, grundlegend niedrigeren Emissionspegeln als zum Beispiel im Kunststoffgehäuse der Kundenapplikation.

Folgendes Beispiel zeigt die Vergleichsmessung eines Schutzklasse-I-Schaltnetzteils in einem geerdeten Metallgehäuse gegenüber dem Aufbau ohne Gehäuse (deshalb wird dem Entwickler empfohlen, sein EMV-Konzept frühzeitig mit dem Hersteller des Schaltnetzteils abzustimmen). Ergebnisse der Messungen zeigen die Bilder 7 und 8. Im Peak-Durchlauf ergeben sich Differenzen von 20 dB, welche der Anwender mit viel Aufwand und Kosten im Zuge seiner Entwicklung eliminieren muss. Zudem ist zu berücksichtigen, dass sich ein Teil der Störungen des Netzteils nur auf der Primärseite beseitigen lässt. Diese Maßnahmen bedeuten wiederum zusätzlichen Prüfaufwand in der Sicherheitsprüfung, was bereits im Vorfeld vermieden werden kann.

Die Lösung sind EMV-Vortests bereits in einem frühen Entwicklungsstadium. In Zusammenarbeit zwischen Entwickler und Hersteller des Schaltnetzteils ist so das EMV-Konzept frühzeitig abstimmbar.

Zulassungen und künftige normative Vorgaben

Auch die Zulassungen sind ein wichtiges Thema, dem man sich früh genug widmen muss. Ist das Netzteil nach dem aktuellen Amendment geprüft? Ist absehbar, dass in Zukunft neue Normen vorgeschrieben sind?

Im Medizinbereich muss entschieden werden, ob ausschließlich das Bedienpersonal am Endgerät arbeitet. In diesem Fall könnte bei Berücksichtigung weiterer Parameter ggf. ein oft günstigeres 60950-Netzteil eingesetzt werden. Oder kommt das Endgerät direkt am Patienten oder in seiner unmittelbaren Nähe zum Einsatz? Dann nämlich sind auch die Limits verschiedener Ableitströme einzuhalten. Sie sind definiert für Normalbedingungen (NC) oder für den ersten Fehlerfall (SFC), wenn etwa der Schutzerder aufgetrennt ist. Dagegen darf ein Homecare-Gerät keine Schutzerde zum Einsatz kommen, da hier nur Schutzklasse II erlaubt ist. Diese Thematik ist sehr komplex und würde an dieser Stelle den Rahmen sprengen, sodass hier auf eine ausführliche Betrachtung verzichtet werden muss.

Ähnlich differenziert wie bei den Safety-Normen stellt sich die Situation bezüglich EMV dar. Welcher Produktstandard muss angezogen werden? 55011, 55032 oder 60601-1-2? Welche Emissionslimits sind zu erfüllen? A oder B? Welcher Schärfegrad muss bei den Immissionen berücksichtigt werden?

Viele Stromversorgungen erfüllen bei den Emissionen im Bereich der leitungsgeführten Störspannung den schärferen Level B (häusliches Umfeld bzw. nahezu alle Medizinanwendungen). Dagegen halten sie im Bereich Abstrahlung nur die Klasse A (industrielles Umfeld) ein. Ist jedoch für die Applikation Klasse B gefordert, sind Nachbesserungen mit Filter, Ferriten o.ä. notwendig. Das kostet Platz, Zeit, Geld.

Weitere spezielle Anforderungen an Netzteile

Möglicherweise gibt es seitens der Anwendung weitere spezielle Anforderungen an das Netzteil, hierzu beispielhafte Fragen. Benötigt sie vielleicht bestimmte Signale wie On/Off oder Power-Fail? Ist eine Schnittstelle zum Auslesen der Netzteilparameter notwendig? Ist ein kleiner Einschaltstrom auf der Netzseite gewünscht? Soll das Netzteil eine lange Überbrückungsdauer bei Netzausfall gewährleisten? Soll die Platine gegen Betauung mit conformal coating geschützt sein? Die Bandbreite an möglichen Forderungen ist nahezu unbegrenzt.

Ab einer bestimmten Menge spezieller Forderungen lohnt es sich, über eine Modifikation und/oder eine kundenspezifische Lösung nachzudenken. Die Vorteile einer kundenspezifischen Lösung sind vielfältig: Der Kunde erhält exakt genau das passende Netzteil; nicht mehr und nicht weniger als das, was er braucht.

Der Serienpreis ist oftmals günstiger als der eines Standardgerätes. Wünsche lassen sich frei definieren. Das Netzteil kann im Zuge der entwicklungsbegleitenden EMV-Messungen an das Gesamtsystem angepasst oder sogar gemeinsam mit der Applikation abgenommen werden.

Sicher beraten ist, wer Expertenwissen nutzt

Natürlich entstehen bei einer solchen Lösung Initialkosten: Entwicklungskosten, Werkzeugkosten (falls notwendig), Zulassungskosten. Speziell die Zulassungskosten sind ein Detail, das oft im ersten Schritt von einer angepassten Lösung zurückschrecken lässt. Aber je nach Absatzmarkt variieren die erforderlichen Zulassungen.

Während bei Medizinanwendungen zumeist die komplette Bandbreite an Zulassungen wie UL/CB/EN 60601 gefordert ist, reicht bei Industrieanwendungen oftmals ein qualifiziertes CE-Zeichen mit einem LVD-Test nach IEC60950 oder 62368 (erstellt von einem zugelassenen Testhaus) aus. Teilweise besteht sogar die Möglichkeit, dass das Netzteil im Zuge der Abnahme des Gesamtsystems durch den Kunden mit geprüft wird. Kunde, Prüfhaus und Netzteilhersteller erarbeiten in diesem Fall ein geeignetes Konzept.

* * MBA Frank Cubasch ... ist Geschäftsführer bei Magic Power Technology, Dahn.

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