Neben der richtigen Größe und Spezifikation eines AC/DC-Netzteils kommt es auch darauf an, es nicht zu überdimensionieren. Zu viel des Guten hat negative Auswirkungen auf den Wirkungsgrad, die Kühlung, die Größe des Gesamtsystems und eventuell sogar auf den Anbieter selbst – zusätzlich zu den höheren Kosten.
Bild 1: Der Wirkungsgrad eines Netzteils ändert sich mit der Last. Der größte Wert ergibt sich bei 80 bis 95 % der maximalen Nennlast. Der Graph zeigt das Netzteil XL280-48 von N2Power.N2Power
Erster und größter Faktor, der beim Netzteil-Design zu berücksichtigen ist, ist das Anpassen der Ausgangsleistung an die Last (Bild 1). Beträgt die maximale Belastung (DC-Gleichspannung mal Strom) zum Beispiel 500 W, bietet ein 1000-W-Netzteil wesentlich mehr Entwicklungsspielraum als eigentlich benötigt.
Welche Folgen ergeben sich, wenn ein Netzteil mit so viel Reserve verwendet wird? Der Vorteil ist, dass viele Ampere für die geforderten Nennspannungswerte zur Verfügung stehen. Das ist aber auch schon alles. Es gibt wesentlich mehr Nachteile, wenn so viel ungenutzte Leistung zur Verfügung steht.
Ineffiziente Arbeitsbereiche
Der größte Nachteil hat mit Ineffizienz und deren Folgen zu tun. Jedes Netzteil hat einen eigenen Wirkungsgrad-Last-Graph (Bild 1). Bei einem durchdacht entwickelten Schaltnetzteil ist dieser Wirkungsgrad im Bereich 80 bis 95 % der maximalen Nennlast am größten. Diese allgemeine Richtlinie trifft zwar nicht auf Linearregler und -Netzteile zu, da diese nur geringe Leistungen von wenigen Watt bereitstellen, passt bei den meisten AC/DC-Netzteilen aber recht gut.
Auf einen Blick
Die Last mit der Last
Wie viel Netzteil braucht ein Design? Diese Frage ist gar nicht so leicht zu beantworten, da es gilt, auch Spitzenlasten abzufedern. Wer als Entwickler einfach in die Vollen greift und die Stromversorgung überdimensioniert, hat viele negative Begleiterscheinungen. Auch bei den Zusatzfunktionen gilt es, nur das tatsächlich sinnvolle einzukaufen.
Beim Betrieb mit niedriger Last kann die Stromversorgung viel zusätzliche Wärme erzeugen. Genau hier beginnen die Probleme für den Entwickler, die offensichtliche und unbeabsichtigte Folgen haben können. Der offensichtliche Effekt ist, dass das Gerät mehr Leistung aus dem Netz verschwendet. Damit wird der Betrieb des Netzteils teurer: diese Kosten sind einfach festzustellen. Ein größeres Netzteil ist zudem noch teurer in der Anschaffung.
Weg mit der Wärme
Neben diesem einfach zu ermittelnden Faktor ergeben sich weitere Nachteile, die schwieriger zu erfassen sind. Die zusätzliche Wärme, die abgeführt werden muss, führt zu einem komplexeren Design und Budget-Fragen müssen geklärt werden, die mit der Konvektionskühlung (die unter Umständen nicht mehr möglich ist), Lüftern, Luftstrom-Layout und Kühlkörpern einhergehen. Diese Alternativen verursachen direkte Kosten und fügen Materialien, Unzuverlässigkeit und Einschränkungen beim Gehäuse und Layout hinzu. Selbst die Flexibilität, mehr Funktionen in das Gehäuse zu integrieren, ist eingeschränkt oder das Gehäuse wird größer. Ein höher ausgelegtes Netzteil hat zudem eine größere Stellfläche.
Bei der Entscheidung für ein größeres Netzteil finden sich auch weniger Hersteller und Second-Source-Anbieter. Dies mag für Entwickler nicht von Belang sein, aber für die Einkaufsabteilung oder den EMS kann dies Probleme bereiten.
Nachträglich skalieren
Aus diesem Grund bieten die meisten AC/DC-Netzteilhersteller eine Vielzahl ähnlicher Einheiten, die sich nur in der Ausgangsleistung unterscheiden. Damit lässt sich die Größe des Netzteils an die Last anpassen, ohne Überkapazitäten zu erzeugen. So sind die AC/DC-Netzteile der XL-Serie von N2Power in den eng zueinander dimensionierten Nennleistungen 125, 160, 275 und 375 W erhältlich.
Bild 2: Das AC/DC-Netzteil XL125 (125 W) (li.) und das XL160 (160 W) von N2Power unterscheiden sich hauptsächlich durch ihre Nennleistung. Die Abmessungen, Baugröße, Anschlüsse und anderen Spezifikationen sind gleich. N2Power
Netzteile mit solch eng dimensionierten Werten unterscheiden sich nur durch die Nennleistung, haben aber die gleichen Abmessungen und Anschlüsse. Damit wird ein einfaches Austauschen, Ab- oder Aufrüsten möglich, sobald sich die Lastanforderungen ändern. Bild 2 zeigt das N2Power XL125 und XL160, die mit 3 mal 5 Zoll (7,5 mal 12,5 cm2) beide die gleichen Abmessungen aufweisen.
Richtig dimensionieren
Das Design auf weniger Gesamtstromaufnahme auszulegen und dann an die maximale Last anzupassen ist in der Realität kein gangbarer Weg. Das Problem ist das große Verhältnis zwischen der Maximal-/Spitzenlast und der typischen Last. Ein Verhältnis von 2:1 oder sogar 3:1 ist hier meist üblich. Das Netzteil muss zwar für die Spitzenlast ausgelegt sein, aber die meiste Zeit wird es für Anforderungen unterhalb dieses Wertes in Betrieb sein, und damit genau im ineffizienten Bereich.
Es gibt Möglichkeiten, dies zu umgehen. Zum Beispiel können ein zusätzlicher Booster, ein Superkondensator oder andere Techniken Spitzenlasten abdecken. Jede dieser Lösungen bringt jedoch neue Designprobleme mit sich, da sie zur Last hinzugeschaltet und auf Lasttransienten abgestimmt werden müssen. Um also eine Überdimensionierung zu vermeiden, sollte man die Maximallast des Systems so weit wie möglich auf den typischen Lastwert verringern.
Jenseits des Wirkungsgrads
Zu den weiteren Faktoren, die zu berücksichtigen sind, zählen der Temperaturbereich, der Betriebsspannungsbereich, die Netz-/Lastregelung, verschiedene Schutzarten, Redundanz und die I/Os.
Hinsichtlich der Betriebsumgebung und der Kühlung stellt sich die Frage, welche Betriebstemperatur für das Netzteil erforderlich ist. Ein Netzteil, das für höhere Temperaturen ausgelegt ist, kostet mehr – aber es ermöglicht auch einen geringeren Kühlungsaufwand. Auch ein Betrieb bei niedrigen Temperaturen muss berücksichtigt werden, wenn die Anwendung zum Beispiel bei Minusgraden eingeschaltet wird.
Eine weitere Abwägung ist die Nennspannung des AC-Netzes: Ist ein Netzteil für 115 oder für 230 VAC erforderlich, oder eines mit einem breiten Eingangsspannungsbereich, das beide Werte abdeckt? Auch hier muss abgewägt werden: ein Netzteil für beide AC-Werte ist generell etwas teurer, aber die zusätzlichen Kosten können sich rentieren, da mehr Netzteile dieser Art gekauft werden können, was die Kosten für den Einkauf und den Support verringert.
Toleranzfrage
Etwas komplizierter wird es mit der Toleranz, die rund um die Netznennspannung erforderlich ist. Muss das Netzteil für moderate ±5 % Abweichung, mittlere Abweichungen von ±10 % oder sogar für einen Bereich von ±20 % ausgelegt sein? Netzteile, die an stark schwankenden AC-Netzen (innerhalb der Spezifikation) betrieben werden, sind teurer und nur von wenigen Anbietern erhältlich. Falls große Schwankungen toleriert werden sollen, ist es kostengünstiger, einen separaten Vorregler zu installieren, der die Netzleitung in einem engeren Bereich hält und dann ein Low-Cost-Netzteil einzusetzen.
Welches Maß an absoluter Genauigkeit, Stabilität und Regulierung erfordert das System? Die meisten Netzteile werden ab Werk für einen Nennausgangswert eingestellt, womit die Einheit den spezifizierten Wert relativ genau erfüllt. Stabilität und Regulierung variieren allerdings von Anbieter zu Anbieter, und strengere Spezifikationen erhöhen die Kosten. Diese zusätzlichen Spezifikationen können sogar überflüssig sein.
Der Grund dafür ist, dass viele AC-zu-DC-Versorgungsschienen nun aus mehreren Stufen bestehen, wobei der AC/DC-Wandler der ersten Stufe einen IBC (Intermediate Bus Converter) oder POL-Wandler (Point of Load) speist, statt die endgültige Schiene. Diese DC/DC-Wandler stellen die eigentliche Spannung für das System bereit, und sie können kleine Änderungen des AC/DC-Netzteils zu ihren DC-Eingängen tolerieren.
Rundum-Schutz
Nahezu alle Anbieter bieten Funktionen wie Schutz vor Überspannung und Kurzschluss. Einige bieten zusätzlichen Schutz gegen hohe Netztransienten, einschließlich blitzinduzierter Spannungsspitzen. Falls mit solchen Ereignissen nicht gerechnet wird oder das Netzteil mit externen diskreten Komponenten geschützt wird, kann man eine Einheit verwenden, die grundlegende Transientenspezifikationen erfüllt anstelle einer, die größeren Schutz bietet.
Einige Hersteller bieten N+1-Fähigkeit, womit sich Netzteile mit automatischer Umschaltung verwenden lassen, für den Fall, dass ein Netzteil ausfällt. Falls dieses Maß an Zuverlässigkeit nicht erforderlich ist oder nur ein einziges AC/DC-Netzteil bevorzugt wird, kann und sollte man auf diese Funktion verzichten.
In größeren Systemen zeigt sich der Trend, dass das Netzteil eigene Betriebszustände (vor allem die interne Temperatur) an eine Systemüberwachung kommuniziert. Dann lassen sich auch Betriebsparameter über einen System-Controller ändern. Für Anwendungen, die diese Art der Versorgungs-/Systeminteraktion nicht erfordern, erübrigen sich ein I/O-Port (I2C, PMBus, SPI) und dazugehörige Schaltkreise im Netzteil.
Nur nicht übertreiben
Ob ein Netzteil aufgrund des mangelnden Verständnisses über die Systemanforderungen oder Versorgungsparameter überdimensioniert wird, oder ob man einfach nur auf Nummer sicher gehen will – es gibt keinen Grund dafür. Wie bei allen Entwicklungsentscheidungen sollte genau das spezifiziert werden, was auch gebraucht wird und nicht mehr. Sind die Prioritäten eines Projekts, dessen Einsatzfeld und alle Abwägungen erst einmal bekannt, ergibt sich auch das richtige Design.
Don Knowles
(lei)
