Zeit und Kosten bei der Systementwicklung sparen

Grundlage für das „Power+Board“-Programm des Stromversorgungsspezialisten Bicker Elektronik sind langzeitverfügbare Embedded-Mainboards von Fujitsu, Asrock und Perfectron in vier verschiedenen Formfaktoren (3,5-Zoll-ECX, mITX, µATX und ATX). In Verbindung mit hochwertigen Medizin- und Industrie-Netzteilen von Bicker durchlaufen die Kombinationen im hauseigenen Labor zahlreiche Tests.

Langzeitverfügbare Embedded-Mainboards

Mit Ausnahme von Mainboard-Serien, welche direkt durch eine Single-Spannung (zum Beispiel 24 V_DC) versorgt werden können, benötigt man in der Regel ein ATX-konformes Set an DC-Spannungen, um Mainboards und deren Peripherie zu betreiben: die Hauptspannungen +12, +5 und +3,3 V und die Nebenspannungen -12 und +5 V Standby. Letztere wird mithilfe eines separaten Transformators und Regelkreises innerhalb des Hauptnetzteiles realisiert und agiert unabhängig von den Hauptausgangsspannungen. Klassisch generiert ein Transformator durch entsprechende Abgriffe die drei Hauptspannungen +12, +5 und +3,3 V, wobei sich die 3,3 V in der Regel von den 5 V ableiten. Solche Abhängigkeiten einzelner Ausgangsspannungen zueinander sind regelungstechnisch beim Netzteil-Design zu berücksichtigen. Deshalb setzen aktuelle Netzteile die DC-TO-DC-Technik ein. Diese Technologie erzeugt aus einer starken +12-V-Hauptspannung alle weiteren Ausgangsspannungen (außer +5 V Standby und 12 V) mithilfe separater DC/DC-Wandlermodule und regelt sie unabhängig voneinander.

Die laborgeprüften Netzteil+Mainboard-Bundles.Bicker Elektronik

Dies hat neben einer höheren Energieeffizienz den großen Vorteil, dass sich Laständerungen an einer Ausgangsspannung unabhängig von den anderen Spannungen ausregeln lassen und dadurch letztlich alle Ausgänge wesentlich stabiler sind. Womit wir thematisch bereits mitten im Testlabor bei den „Power+Board“-Lösungen angekommen sind.

Im Testlabor angekommen

Eine zentrale Forderung der „Power Supply Design Guides“ ist die Einhaltung der Spannungstoleranzen an allen DC-Ausgängen. Die ATX-Norm spezifiziert eine Toleranz von ±5 % für +12, +5, +3,3 und +5 V Standby, sowie ±10 % für den -12-V-Ausgang. Das bedeutet, dass beispielsweise die +12-V-Schiene unter keinen Umständen unter +11,4 V fallen beziehungsweise +12,6 V übersteigen darf. Kritisch gestalten sich diese Rahmenbedingungen für ein Schaltnetzteil immer dann, wenn es im Bereich seiner Minimal- beziehungsweise Maximallast arbeitet oder hochfrequente Lastsprünge ausgleichen muss. Dynamische Laständerungen entstehen auf dem Mainboard, wenn die CPU vom energiesparenden Standby-Modus oder dem Leerlaufprozess (Idle-Mode) in einen rechenintensiven Zustand wechselt oder umgekehrt. Gleiches gilt für den teils stark schwankenden Leistungsbedarf von Grafikkarten und Peripheriegeräten. Dann ist die Regelung des Netzteiles gefordert, die sprungartige Laständerung innerhalb von Sekundenbruchteilen ohne signifikanten Einbruch oder Überschwingen der Ausgangsspannung nachzuregeln und somit innerhalb der definierten Grenzwerte zu bleiben. Anderenfalls kann es zu undefinierten Reaktionen oder gar Abstürzen des Rechnersystems kommen.

Im Labor wird diese Situation mit dem jeweiligen Netzteil reproduzierbar getestet: Zusätzlich zur Stromversorgung des Testsystems mit Mainboard, CPU, Lüfter, RAM, SSD/HDD- und CD-Laufwerk wird an den +5-V- und +12-V-Netzteilausgängen jeweils eine mit 100 Hz pulsierende elektronische Last angeschlossen, welche die zusätzliche Belastung bis hin zur Maximallast simuliert. Den gleichen Test wiederholt man mit statischen Zusatzlasten. Während der Messungen läuft auf dem Testsystem eine definierte Burn-In-Testsoftware. Die Messergebnisse zeigen schließlich, in welchem Toleranzbereich sich die Ausgangsspannungen der jeweiligen Power+Board-Kombination bewegen und stellen die Einhaltung der Grenzwerte sicher, selbst an den Belastungsgrenzen des Netzteiles.

Einhaltung der Grenzwerte sicherstellen

In Verbindung mit hochwertigen Medizin- und Industrie-Netzteilen durchlaufen die Power+Board-Bundles im hauseigenen Labor zahlreiche Tests.Bicker Elektronik

Bevor ein Rechnersystem im Normalbetrieb seinen Dienst verrichten kann, muss es zunächst erfolgreich starten. Was trivial klingt, ist oftmals der Grund für viele Stunden mühsamer Fehlersuche bei der Systementwicklung. Deshalb widmen sich gleich mehrere Einzeltests beim Power+Board-Programm der Untersuchung des Einschalt- und Timingverhaltens. Beim Einschaltvorgang übergibt das ATX-Mainboard zunächst das Startsignal (PS_ON#) an das Netzteil. Die Spannungen an den Netzteilausgängen müssen sich nun in einer durch das Power Supply Design Guide definierten zeitlichen Abfolge zueinander aufbauen. Im Falle der ATX-Spezifikation ist es zunächst notwendig, dass jede einzelne Spannung innerhalb eines Zeitfensters von 0,1 bis 20 ms (Risetime) ihren nominalen Regelungstoleranzbereich erreicht. Bei ±5 % Toleranz entspräche dies 95 % des Nominalwertes, zum Beispiel +11,4 V am +12-V-Ausgang. Die ansteigende Spannungsflanke (Ramp) muss hierbei zu jedem Zeitpunkt gleichmäßig und ununterbrochen („smooth and continuous“) in positiver Richtung verlaufen. Hinsichtlich der drei Hauptspannungen gilt, dass die +3,3-V-Schiene ihren Regelungstoleranzbereich maximal 20 ms nach der +12-V- beziehungsweise +5-V-Schiene erreicht haben muss. Nicht nur für das perfekte Zusammenspiel von Netzteil und Mainboard ist die Einhaltung dieses Zeitbereichs entscheidend. ATX-konforme Erweiterungskarten, wie zum Beispiel Framegrabber, verzeihen eine Überschreitung der 20-ms-Grenze meist nicht und verweigern ihren Dienst beziehungsweise verhindern den erfolgreichen Systemstart.

Während der Spannungsanstiegszeit darf zudem die Ausgangsspannung an +12 und +5 V zu keiner Zeit unter das Spannungsniveau des +3,3-V-Ausganges fallen. Liegen die Spannungen stabil an, übergibt das Netzteil ein High-Signal (+5 V_DC) auf der Power-Good-Leitung (PWR_OK) an das Mainboard. Ein Low-Signal (0 V_DC) würde dem Mainboard einen Fehler signalisieren und einen RESET auslösen. In diesem Fall startet das System nicht. Die Einschaltverzögerung, also die Zeit zwischen dem Erreichen der Regelungstoleranzbereiche und dem Power-Good-Signal muss sich ebenfalls in einem definierten Zeitfenster von 100 bis 500 ms (PWR_OK delay) bewegen.

Einschaltströme auf zeitlichen Verlauf messen

Parallel zu den Spannungen werden im Testlabor die Einschaltströme in ihrem zeitlichen Verlauf gemessen und analysiert. Im Einschaltmoment verursachen kapazitive Lasten in Form von Kondensatoren und Schaltreglern auf Mainboard und Systemkomponenten sehr hohe Ströme. Die erfassten Daten geben Aufschluss darüber, welche Einschaltspitzenströme das Netzteil innerhalb eines bestimmten Zeitabschnittes sicher liefern muss. Neben den definierten kapazitiven Lasten in der ATX-Norm ist vor allem das geschulte Auge und die Erfahrung des Testingenieurs bei der Beurteilung der Oszillogramme gefragt, da es gilt, kritische Anstiegsflanken und mögliche Konflikte sicher zu erkennen und zu beurteilen. Im schlimmsten Falle würde das Netzteil respektive das Gesamtsystem den Systemstart verweigern. So manifestiert sich auch im Einschaltverhalten die Qualität der leistungselektronischen Ausstattung eines Schaltnetzteiles und dessen Vermögen, derartige Extremsituationen zu meistern.

Die Testergebnisse und Netzteilempfehlungen für das jeweilige Mainboard sind in einer Auswahlmatrix übersichtlich zusammengefasst und stehen auf der Website von Bicker Elektronik (www.bicker.de) im Bereich „Systemkomponenten“ zum Download bereit. Detaillierte Berichte mit allen Messergebnissen und Oszillogrammen der Einzeltests stellt der Stromversorgungsspezialist interessierten Kunden und Systementwicklern auf Anfrage zur Verfügung. Zusätzlich bietet das Unternehmen passende Prozessoren, Speicher, Erweiterungskarten und Massenspeicher in Industrie-Qualität an. Somit steht eine langzeitverfügbare Komplettlösung aus einer Hand zur Verfügung, die dem Systementwickler hilft, den Zeitaufwand für umfangreiche Grundlagentests zu minimieren und die Entwicklung des Gesamtsystems schneller voranzubringen. Bicker gewährt eine dreijährige Garantie auf die Power+Board-Bundles. Insbesondere Applikationen mit einer langen Laufzeit profitieren so von einem optimalen Investitionsschutz.

(ah)