OEM-Netzteile anwendungsspezifisch optimiert Vertrauen in den Netzteil-Anbieter ist von großer Bedeutung

Von Heidrun Seelen, Frank Cubasch *

Zur Netzteil-Auswahl gibt es online viele Kataloge, Datenblätter und Shops. Neutrale Bewertungen zu Produkt, Hersteller und Lieferant eher nicht. Die aber wären wichtig für die Entscheidungsfindung.

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Bild 1: Bei der speziell an die Anforderungen angepassten Stromversorgung reduzieren sich die Gesamtkosten über den Lebenszyklus des Endgerätes.
Bild 1: Bei der speziell an die Anforderungen angepassten Stromversorgung reduzieren sich die Gesamtkosten über den Lebenszyklus des Endgerätes.
(Bild: Magic Power)

Das gesamte Themengebiet Stromversorgung ist ebenso komplex, wie es das Zusammenspiel der Einzelkomponenten in einem solchen System ist. Vielleicht sogar noch komplexer. Denn es geht um mehr als nur um Anforderungen und Pflichtenheft. Das wird im Artikelverlauf deutlich.

Klassifiziert man die Stromversorgungen und DC/DC-Wandler, dann lassen sich drei Hauptgruppen definieren. Dies sind neben den meist bekannten Standardnetzteilen die vollständig kundenspezifischen OEM-Geräte und die modifizierten Netzteile. OEM steht für Original Equipment Manufacturer (Originalausrüstungshersteller) und bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das entsprechende kundenspezifische Netzteil speziell für den auftraggebenden Kunden entwickelt und meist auch produziert wird. Aber warum werden Netzteile überhaupt modifiziert oder komplett neu als OEM-Netzteil konstruiert, obwohl das Angebot an Standardnetzteilen sehr groß ist?

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Prét-a-porter versus Haute Couture

Die Entwicklung und Produktion von Standardnetzteilen steht unter der Prämisse, mit der jeweils zugrunde gelegten Spezifikation möglichst viele Einsatzfälle abzudecken. Durch den damit zu erwartenden hohen Absatz rechnen sich für den Netzteilhersteller Entwicklungs-, Werkzeug- und Zulassungskosten. Auf der anderen Seite entsteht so die Basis, um bei abweichenden Kundenanforderungen bereits auf Layouts, Tooling (z.B. für die Fertigung von Gehäusen und Kühlkörpern) sowie Zulassungsdokumenten für Anpassungen zurückgreifen zu können. Dies kann je nach Umfang der gewünschten Modifikation die Einmalkosten für den Kunden deutlich reduzieren. Diesen Punkt beleuchten wir später noch ausführlicher.

Daraus folgt zugleich, dass alle Anforderungen an ein Netzteil, die nicht dem Mainstream entsprechen, potentiell für eine Modifikation oder eine kundenspezifische Entwicklung in Frage kommen.

Gründe für die anwendungsspezifische Auslegung

Wohl wichtigster Grund sind die elektrischen Parameter, meistens Spannungen und Leistungen. So gibt es z.B. Applikationen, die relativ lange Leitungswege benötigen. Wenn nun die Last eine enge Spannungstoleranz hat, kann dieser Wert u.U. bei größeren Leitungslängen verfehlt werden. Das kommt insbesondere dann vor, wenn niedrigere Spannungen verwendet werden und der Strom entsprechend größer ist. Eine typische Modifikation wäre in diesem Fall, das Netzteil mit einer höheren Ausgangsspannung zu liefern (etwa 13,5 V statt 12 V) und damit den Spannungsabfall zu kompensieren.

Weitere Kriterien für ein angepasstes Netzteil sind Regelverhalten, Schnittstellen, Hold-Up Zeiten, Ableitströme usw. Wenn diese Eigenschaften bei den in Betracht kommenden Standardnetzteilen nicht in ausreichendem Maße vorhanden sind, empfiehlt sich auch hier eine modifizierte Lösung der Stromversorgung.

Die konstruktiven Gegebenheiten in der Applikation wie z.B. Abmessungen, Bauform und Befestigungen können ebenfalls Gründe für OEM oder eine Modifikation sein. Im einfachsten Fall ist mit montierten Kunststoffabstandhaltern, einem speziellen Gehäuse oder einer Hutschienenbefestigung die Lösung gefunden. Beim voll kundenspezifischen OEM-Gerät dagegen wird das Netzteil größentechnisch passgenau für die Anwendung entwickelt und enthält auch die entsprechenden Bohrungen, Gewinde usw. Damit ist es optimal für die Montageprozesse ausgelegt und spart Kosten und Aufwand. Ähnliches gilt für die Auswahl von angepassten Steckersystemen, die je nach Auswahl ein schnelleres und verpolungssicheres Verbinden zulassen.

Weiterhin können kundenseits besonders kritische Umgebungsbedingungen vorherrschen. So ist es bei hohen Umgebungstemperaturen und einem vielleicht sogar lüfterlosen System unter Umständen ratsam, als Modifikation spezielle extrem langlebige Elektrolytkondensatoren einzusetzen. Dadurch ist die Lebensdauer des Netzteils an die Anforderungen durch die Applikation anpassbar.

Manchmal sind Applikation und damit auch Stromversorgung verstärkt feuchten Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Der Netzteilhersteller kann dann das Netzteil vor ungewünschten Leckströmen schützen, indem er es mittels „conformal coating“ mit einer Schutzschicht überzieht. Somit wird verhindert, dass die leitenden Teile mit der hohen Feuchtigkeit in Verbindung kommen. Dies wäre ein Beispiel einer einfachen Modifikation.

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Weitere Beanspruchungsarten, die besondere Anforderungen an die Stromversorgung stellen, sind die Nutzung und Lagerung unter erhöhten Stoß- und Vibrationsbedingungen. Dies trifft besonders in der Transportation Branche zu. Jenseits dieser speziellen Einsatzfälle mit ihren eigenen Normen gibt es aber auch Beanspruchungen, die nicht ganz so extrem ausfallen. Beispielsweise können Motoren im Betrieb Schwingungen übertragen, welche durch zusätzliche Silikon-Klebepunkte an gelöteten Teilen aufgefangen werden. Auch das stellt eine einfache Modifikation des Netzteils dar.

Ein umfangreiches Thema ergibt sich aus den Normen. Jede Stromversorgung ist für bestimmte Einsatzbereiche konzipiert und erfüllt die relevanten Normen. Teilweise entwerfen Netzteilhersteller ihre Produkte auch so, dass mehrere Normen erfüllt werden. Als Beispiel seien hier die Medizin- und die Haushaltsgeräte-Norm genannt (60601-1 und 60335-1), denen eine Reihe von Netzteilen gleichzeitig entspricht. Soll nun z.B. eine solche Applikation auf einem Schiff zum Einsatz kommen, muss sie zusätzlich der Marine-Norm (60945) entsprechen. Dies kann durch eine Netzteilmodifikation sichergestellt werden. Das Thema Normen/Zulassungen wird im weiteren Verlauf noch einmal aufgegriffen.

Abstimmung während der Entwicklung spart Kosten

Als letzter Punkt sollen nun mögliche Kosteneinsparungen oder Kostenvorteile im Rahmen eines Gesamtprojekts betrachtet werden. Durch eine kundenspezifische oder modifizierte Stromversorgung besteht die Möglichkeit, schon in einer frühen Phase die Fertigungsprozesse bei der Kundenapplikation einzubeziehen und das Netzteil montagefreundlich zu konstruieren. Gleiches gilt für die EMV des Endgerätes inklusive Netzteil. Auch hier sind durch enge Abstimmung während der Entwicklung spätere Aufwands- und Kosteneinsparungen möglich. Dieses Thema wird im Artikelverlauf noch einmal aufgegriffen.

Unter Berücksichtigung aller Punkte ist es gut nachvollziehbar, dass mit einer speziell an die Anforderungen angepassten Stromversorgung die Gesamtkosten reduziert werden können. Dies gilt insbesondere, je länger der Lebenszyklus des Endgerätes ist.

Dabei ist die Grenze zwischen Modifikation und voll kundenspezifisch fließend. Typischerweise ist ein modifiziertes Netzteil ein Standardgerät, welches in einem bzw. wenigen Features geringfügig geändert (modifiziert) wird. Beispielhaft kann dies eine andere Ausgangsspannung sein oder spezielle Kontaktleisten, die passend zur Schnittstelle der Kundenapplikation konfiguriert sind. Bei voll kundenspezifischen Stromversorgungen werden i.d.R. mehrere Dinge geändert. Oder die Entwicklung fußt erst gar nicht auf einem Standardgerät. So würde man z.B. die Anpassung eines Standard-12-V-Netzteils auf 13,8 V als Modifikation bezeichnen, während ein Gerät mit AC- und DC-Eingang, fünf Ausgangsspannungen, besonderer Größenvorgabe und einem Temperaturbereich von -40 bis +80 °C als voll kundenspezifisch gilt.

Der typische Ablauf eines OEM-Projekts

Ein OEM-Projekt ist in verschiedene Phasen aufgeteilt, wobei Dauer und Reihenfolge der einzelnen Schritte stark variieren können. Zudem können Arbeiten auch phasenübergreifend parallel durchgeführt werden. Im ersten Schritt erstellt der Kunde ein Anforderungsprofil an die gewünschte Stromversorgung. Dieses soll möglichst genau die elektrischen und konstruktiven Vorgaben, Zulassungen, Mengen und den Zeitplan umfassen. Im ersten Austausch mit dem potentiellen Netzteilpartner werden die Anforderungen bewertet und eventuell ergänzt. Auf dieser Basis entsteht das Pflichtenheft, welches alle abgestimmten Eckpunkte enthält. Stehen Details zu diesem Zeitpunkt noch nicht fest, werden Sie im Laufe der Entwicklung ergänzt. Die so erarbeitete und gegebenenfalls zu aktualisierende Spezifikation zieht sich als Dokumentation durch den gesamten Entwicklungsprozess.

Ebenso wichtig wie technische Vorgaben ist die Abstimmung des Zeitplans. In der Praxis begegnet dem Netzteilhersteller nicht selten ein gewünschter Zeithorizont von wenigen Monaten bis zur Lieferung der ersten Serie. Um es ganz deutlich zu sagen – dies ist oftmals unrealistisch. Je nach Komplexität des Projekts, Erfahrungen auf beiden Seiten, verfügbaren Kapazitäten bei beiden Partnern, einzuhaltenden Entscheidungsebenen, Auslastung bei den zulassenden Prüfhäusern u.v.a.m. ist durchaus von einem Zeitraum von mehreren Monaten auszugehen. Daran schließt sich dann noch die Produktionszeit für die Serie an. Teilweise können jedoch einige Prozesse parallel abgewickelt werden. So ist es nicht unüblich, dass die Nullserie bereits produziert und ausgeliefert wird, während die Zulassungsprozesse noch nicht abgeschlossen sind. Extrem wichtig für einen am Ende erfolgreichen Projektverlauf ist ein vertrauensvolles Miteinander aller Beteiligten.

Auf Basis des Pflichtenhefts startet nun beim ausgewählten Netzteilhersteller die eigentliche Entwicklungsarbeit. Nach mehreren Wochen ist ein erster Prototyp entstanden. Je nach Komplexität dauert dies typischerweise 8 bis 12 Wochen, manchmal auch länger. Dieser Prototyp entspricht in den elektrischen und mechanischen Eigenschaften bereits weitgehend der abgestimmten Spezifikation. Dem Kunden ist es damit möglich, den Prototyp in seiner Applikation zu betreiben und zu testen. Im Ergebnis erteilt er die Freigabe.

Parallel dazu erfolgt beim Netzteilpartner die Fertigstellung der Entwicklung. In dieser Endphase werden z.B. die Schutzfunktionen (OVP, OCP, OTP) und die EMV feinjustiert. Da sich das finale Netzteil noch nicht im Zulassungsprozess befindet, können hier auch noch Wünsche des Kunden berücksichtigt werden. Diese können sich ergeben, da der Kunde seine Applikation ja ebenfalls noch nicht endgültig durchentwickelt hat. Beispiele sind zusätzliche Befestigungspunkte an der Schnittstelle von Netzteil und Applikation oder ein anderes Steckersystem als ursprünglich vorgesehen. Bei konstruktiven Änderungen wird die Kompatibilität von Netzteil und Anwendung durch den Austausch von 3D-Daten gewährleistet. So hat jeder Partner immer den aktuellen Bearbeitungsstand.

Das erste Ergebnis: ein finales Muster

Dieser Abstimmungsprozess sowie die meist umfangreichen Tests der Endapplikation mit dem neuen Netzteil ziehen sich teilweise über mehrere Wochen hin. Erschwerend kommen hier auch noch die z.T. langen Lieferzeiten für Motoren, Displays, Gehäuse usw. auf Kundenseite hinzu. Der Netzteilpartner stellt parallel die Entwicklung fertig. Das Ergebnis ist nun das finale Muster. Es entspricht der späteren Serie. Lediglich die mechanischen Komponenten wie z.B. Kühlkörper oder Gehäuse sind noch CNC-gefräst, und es wurde in der Entwicklungsabteilung gefertigt. Das finale Muster erhält wiederum der Kunde zu Tests und Freigabe.

In Absprache mit dem Kunden können bereits in dieser zweiten Testphase die für die Serienfertigung benötigten Werkzeuge beauftragt und gebaut werden. Ebenso wird ein erfahrener Netzteilpartner schon den Zulassungsprozess mit den Laboren beginnen, was wiederum einen Zeitgewinn von einigen Wochen bedeutet.

Üblicherweise produziert im Anschluss der Netzteillieferant direkt die Nullserie, welche der Kunde wiederum auch in seiner Nullserie zum Einsatz bringt. Obwohl diese neuen OEM-Netzteile jetzt bereits unter nahen Serienbedingungen gefertigt werden, können eventuell immer noch kleinere Anpassungen vorgenommen werden.

Schließlich ist der endgültige Stand erreicht, die Gesamtapplikation hat die Zulassungsprozeduren durchlaufen, und die Anwendung läuft in Serie. Der Netzteilpartner produziert, lagert und liefert die OEM-Netzteile abgestimmt mit der Einkaufsabteilung des Kunden.

Die besondere Bedeutung des After Sales Service

So weit, so gut. Doch auch im Verlauf der nächsten Jahre wird es immer wieder Schnittpunkte zwischen Kunden und Netzteilpartner geben. Was sich als After Sales Service etabliert hat, sollte grundsätzlich beinhalten, dass sich der Lieferant der Fragen, Anliegen und Probleme des Kunden annimmt. So kann es erforderlich sein zu prüfen, inwieweit das Netzteil die Anforderungen auch nach Änderungen an der Applikation erfüllt. Oder welche Tests ggf. durchzuführen sind, um bei einem Normenwechsel die aktuellen Zulassungen und Amendments einzuhalten. So bestand z.B. im Zuge der Umstellung von der EN60950 auf die EN62368 die Forderung, mit den geringsten Kosten, aber unter Berücksichtigung der neuen normativen Änderungen alle Netzteile auf die neue Norm upzudaten.

Aber auch, falls defekte Netzteile anfallen, gehört es zu den Aufgaben des Lieferanten, die Fehlerursache herauszufinden. Dann können gegebenenfalls Verbesserungen in die Serie einfließen (in Absprache mit dem Kunden). Diese Möglichkeit sollte während, aber auch nach Ablauf des Gewährleistungszeitraums genutzt werden.

Es ist also wichtig, dass die Kunde-Lieferant-Beziehung nicht mit der Serienlieferung aufhört. Die Erfahrung zeigt, dass bei Themen wie Dokumentation, Ersatzteilversorgung, Reklamationsbearbeitung, neuen Normen, Lifecycle-Management usw. immer wieder Gesprächsbedarf entsteht. In einer guten Kunde-Lieferant-Atmosphäre finden beide Partner für alle Probleme kurzfristig Lösungen.

Ein weiterer Blick auf gegebene Kosten

Welche Kostenblöcke sind nun bei kundenspezifischen oder modifizierten Stromversorgungen gegenüber einem Standardnetzteil zusätzlich zu berücksichtigen? Zum einen sind dies die Entwicklungskosten (Ingenieurdienstleistungen, Aufwand für Erstellung des Prototyps und des finalen Musters). Sie werden auch als NRE bezeichnet (non-recurring engineering costs) und sind abhängig vom Entwicklungsaufwand. Umfasst die Aufgabenstellung z.B. ein 30-W-open-frame-Netzteil mit lediglich angepasster Ausgangsspannung, werden die Entwicklungskosten nur einen Bruchteil der Kosten für ein 600-W-Netzteil mit fünf Ausgangsspannungen und Gehäuse betragen.

Je nach Produkt fallen weiterhin Werkzeugkosten an. Diese auch als Tooling-Kosten bezeichneten Aufwendungen werden für Guss-, Press-, Biege-, Spritz- oder andere Werkzeuge zur Herstellung von Gehäusen, Kühlkörpern u.ä. benötigt. Als dritter Block sind in vielen Fällen Zulassungskosten zu berücksichtigen. Wann trifft das nun auf eine Modifikation oder ein OEM-Netzteil zu? Für jede Stromversorgung sind im Sicherheitsprüfbericht kritische Komponenten definiert.

Diese Liste der kritischen Komponenten umfasst alle Bauelemente, die besonders wichtig für den fehlerfreien Betrieb des Netzteils sind wie z.B. Übertrager, Y-Kondensatoren, Optokoppler, Sicherungen usw. Sobald bei einer Modifikation eine solche Komponente ausgetauscht wird, muss deshalb die Zulassung des Netzteils erweitert oder erneuert werden. Gleichermaßen kann auch die EMV von den veränderten Bauelementen betroffen sein. Ein voll kundenspezifisches Netzteil verfügt erst einmal nicht über eine entsprechende Zulassung, sondern muss diese, auch aus produkthaftungstechnischen Gründen, erhalten. Je nach Anwendung und Kundenwunsch gibt es verschiedene Möglichkeiten. Beispielhaft seien die LVD (Low Voltage Directive) z.B. nach der EN62368 oder bei Medizinanwendungen ein Paket aus EN/CB/UL 60601 genannt.

Wie eingangs angesprochen, ist kundenspezifisch/OEM nicht zwangsläufig mit höheren Kosten gleichzusetzen. Im Gegenteil. Bei einem professionell durchgeführten Design-In mit entsprechender Punktlandung der Features werden, verglichen mit einem Standard-Netzteil, oftmals günstigere Gesamtkosten erreicht. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn Zusatzeigenschaften in das Netzteil implementiert werden, welche ansonsten in den Kostenbereich der Kundenapplikation fallen würden. Das können im einfachsten Fall angelötete Kabelsätze, vormontierte Abstandshalter oder Befestigungsbleche sein. Ebenso können speziell adaptierte Gehäuse Teil der OEM-Lösung sein. Hierdurch kann der Kunde Arbeitsgänge und Montagekosten einsparen.

Und schließlich: der Blick auf die Geräteleistung

Ein anderes Beispiel für eine Kostenreduktion ist die Auslegung in Bezug auf Spitzenlasten. Manchmal treten in einer Applikation hohe Spitzenleistungen auf, deren Wiederholfrequenz und Dauer jedoch gering sind. Dann gibt es grundsätzlich zwei Lösungswege. Einerseits kann man ein Standard-Netzteil auswählen, dessen Dauerleistung auf die Spitzenleistung auslegt ist. Dies führt neben erhöhter Baugröße aber auch zu höheren Kosten. Andererseits kann der Kunde durch ein kundenspezifisches Netzteil Kenngrößen wie Spitzenleistung, Dauer, Wiederholfrequenz und andere Variablen punktgenau an die Anforderungen anpassen. Ein typisches Anwendungsbeispiel hierzu sind Drucker. Wenn der Druckprozess startet, wird eine Heizung aktiviert, die i.A. besonders energiehungrig ist. Ist die Fixiertemperatur des Druckers erreicht, kann die Heizung wieder abgeschaltet oder in den Standby-Modus versetzt werden. Dann muss das Netzteil nur noch eine vergleichsweise geringe Leistung liefern.

Weitere Beispiele finden sich in motorisch getriebenen Applikationen. Während des Anlaufs zieht der Motor einen hohen Anlaufstrom. Dies erfordert auch vom Netzteil eine erhöhte Peak-Leistung. Diese fällt jedoch kurz nach dem Anlaufen wieder ab bzw. geht sogar gegen Null, wenn der Motor nur temporär in Nutzung ist. Bei entsprechend geschickter Auslegung des Netzteils ist es hier möglich, Netzteile kleiner Leistung, jedoch mit entsprechender Spitzenleistung in Einsatz zu bringen.

Bei jeder Entscheidung hinsichtlich Standard oder kundenspezifisch ist die Gesamtbetrachtung wichtig. Von der Hand zu weisen ist natürlich nicht, dass sich insbesondere bei einem OEM-Netzteil zu Beginn eines Projekts höhere Zeit- und Kostenaufwendungen ergeben. Diese amortisieren sich jedoch gegenüber der Lösung mit einem Standardnetzteil, je länger der Life Cycle des Endprodukts ausgelegt ist.

Auf welche Kriterien, insbesondere Soft Skills, sollte der Kunde bei der Auswahl des Netzteilpartners also Wert legen? Natürlich ist ein wettbewerbsfähiges Angebot DIE grundlegende Voraussetzung. Darüber hinaus sind jedoch Vertrauen, Erfahrung und eine passende Unternehmensgröße und -philosophie sehr wichtig für einen reibungslosen und erfolgreichen Projektverlauf.

* * Dipl.-Ing. Heidrun Seelen ... ist Vertriebsleiterin bei Magic Power. MBA Frank Cubasch ... ist Geschäftsführer bei Magic Power Technology, Dahn.

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