Bausteine

Modulare Stromversorgungen lassen sich wie Bausteine nach den Anforderung der Anwendung auswählen. (Bild: Anterovium @ AdobeStock)

Eine modulare Stromversorgung kann je nach Applikation unterschiedliche Funktionen erfüllen. AC-DC-Wandler bestehen in der Regel aus einem Frontend mit EMI-Filterung, Überspannungsschutz, einer Leistungsfaktor-Korrekturstufe, Hilfsfunktionen und einem großen Energiespeicher. Darauf folgen Module – in Form von steckbaren Karten – die Anwender bedarfsgerecht auswählen können, um einen bestimmten Ausgang oder eine Kombination geregelter Ausgänge zu erhalten. Solche Module beinhalten eine sichere Isolation vom AC-Eingang und zwischen den einzelnen Ausgängen. Diese können vom Benutzer in Reihe oder parallel geschaltet werden, um eine Vielzahl unterschiedlicher Ausgänge umsetzen zu können. Bild 1 zeigt eine gängige Anordnung einer solchen modularen Stromversorgung.

Kurzgesagt: Modulare Stromversorgungen

Viele Anwendungen fordern benutzerspezifische Stromversorgungen, weshalb Standardprodukte oftmals nicht infrage kommen. Speziell entwickelte Bauteile sind oftmals zu kostenintensiv, außerdem sind auch zeitliche und technische Risiken möglich. Eine weitere Option sind modulare Stromversorgungen bei denen der Anwender bestimmte Module selbst wählen kann. Solche Lösungen bieten dem Entwickler Flexibilität in seinem Design sowie geringes Risiko. Außerdem kann er die Module später auch noch upgraden. Zudem sind die Module schon zertifiziert.

Vorteile und Anwendungsszenarien

In Bild 1 ist auch erkennbar, dass die Ausgangsmodule bis zu einem gewissen Grad duplizierbar sind. Führt man sie steckbar aus, erhöht das zwar die mechanische Komplexität – werden aber individuelle Kombinationen von Ausgängen benötigt, lassen sich durch den modularen Aufbau kundenspezifische Konstruktionen vermeiden. Ändern sich zudem die Spezifikationen während der Entwicklung oder wird das Gerät Teil eines Plattformsystems, das je nach Auslegung unterschiedliche Anforderungen erfüllen muss, können die Ausgänge nach Belieben neu konfiguriert werden. Da die Zertifizierung einer modularen Stromversorgung auch nach einer Neukonfiguration erhalten bleibt, müssen Entwickler lediglich die Unterlagen für die tatsächlich verwendeten Module anpassen. Industrielle und medizinische Sicherheitsstandards werden dabei in der Regel unterstützt. Zudem sind auch die EMI-Eigenschaften für alle Konfigurationen vorhersehbar.

Alternativ könnten Entwickler auch die Verwendung mehrerer AC/DC-Wandler in Betracht ziehen, um nicht standardmäßig verfügbare Ausgangsspannungen anbieten zu können. Dies hat jedoch den Nachteil, dass zusätzliche Netzableitströme auftreten können, die den gesetzlichen Grenzwert überschreiten. Insbesondere für medizinische Anwendungen ist dies ein Problem. Eine weitere Herausforderung sind zusätzliche, unvorhersehbare elektromagnetische Störungen durch unsynchronisierte Wandler. Kosten und Aufwand für zusätzliche Steckverbinder und Kabel kommen hinzu. Die Installationskosten sind höher und die Flexibilität einer modularen Lösung sowie Funktionen wie die Ausgangssequenzierung und Parallelschaltung mehrerer Ausgänge gehen verloren. Werden zudem zusätzliche Ausgänge von DC/DC-Wandlern erzeugt, indem man sie hinter einem einzigen AC/DC-Ausgang kaskadiert, gehen Flexibilität und Steuerungsfunktionalität verloren. Zwangsläufig sinkt also auch die Systemeffizienz.

Der modulare Ansatz ermöglicht hingegen eine schnelle, flexible Off-the-Shelf-Lösung ohne Mindestbestellmenge, so dass die Beschaffung von Netzteilen bei typischerweise eng getakteten Zeitplänen für die Produktentwicklung nicht mehr auf dem kritischen Pfad liegt. Zudem können Systementwickler den Vorteil des modularen Ansatzes nutzen, der von Natur aus eine umfassende Steuerung und Überwachung jedes Ausgangs ermöglicht und den Bedarf an externen Schaltungen reduziert. In der Summe reichen modulare Stromversorgungen also an die Funktionalität hochwertiger programmierbarer Labornetzteile heran. Dies jedoch ohne ihren Kostenaufschlag.

Bild 1: Blockschaltbild einer modularen Stromversorgung,
Bild 1: Blockschaltbild einer modularen Stromversorgung, (Bild: Avnet Abacus)

Was zeichnet modulare Stromversorgungen aus?

Die Ausgangsspannung kann in der Regel für jedes Modul separat über ein Potenziometer, einen Analogeingang oder digital über einen I2C-Bus mit PMBus-Befehlen eingestellt werden. Der Strom kann ebenfalls erfasst, geregelt und genau begrenzt werden, wodurch sich die modulare Stromversorgung für eine Vielzahl von Anwendungen eignet, bei denen die Ausgangscharakteristik durch externe Rückmeldungen von Sensoren gesteuert wird. Ein Beispiel wäre das Laden von Batterien mit einem programmierten Profil für Ladestrom und -spannung, um eine optimale Ladeleistung von Batteriezellen bei schwankenden Temperaturen zu ermöglichen. Auch eine Sequenzierung der Netzteilausgänge ist möglich, indem ein Modul einen Einschaltbefehl (Enable) an die Schalteingänge anderer Module bei Erreichen der Sollwerte (Power Good) übermittelt. Da es sich bei den Modulen um eigenständige Funktionsblöcke handelt, können Entwickler mehrere kombinieren, wobei jedes Modul sein eigenes Funktionsprofil hat. Ein Modul mit komplexem Batterieladeprofil lässt sich also beispielsweise mit einem Modul mit konstanter Versorgungsspannung für die Systemsteuerung kombinieren.

Überlegungen zur Reihen- und Parallelschaltung

Um den Strom bzw. die Spannung bedarfsgerecht zu erhöhen, können die Module parallel und in Reihe geschaltet werden. Dies bietet die erforderliche Flexibilität für Leistungserhöhungen innerhalb der Gesamtnennleistung des Frontends oder für die Erzeugung höherer Spannungen, die durch die einzelnen Modulsteuerungen zudem noch über einen weiten Bereich einstellbar sind. Bei einer Parallelschaltung sind die Ausgänge mehrerer Module miteinander verbunden, die Aufteilung der Ausgangsströme der einzelnen Module kann dabei über unterschiedliche Techniken erfolgen. Da parallel geschaltete Module einen gemeinsamen Rückleiter haben, können analoge Steuersignale direkt miteinander verbunden werden. Bei der Reihenschaltung liegen die Rückleitungen jedoch auf unterschiedlichen Potenzialen, sodass miteinander verbundene Steuersignale wie etwa die Spannungsanpassung durch lineare Optokoppler oder ähnliches isoliert werden müssen. Bei digitalen Signalen und Steuerleitungen – wie ‚Enable’ und ‚Power Good‘ – kann die Isolierung durch Optokoppler bereits im Modul enthalten sein. Durch die isolierte PMBus-Fähigkeit wird die gesamte Steuerung jedoch unabhängig davon, ob eine Reihen- oder Parallelschaltung umgesetzt wird.

Bei der Reihenschaltung von Modulausgängen sollten Entwickler auch die Auswirkungen auf Sicherheitszertifizierungen beachten. Wenn die kombinierte Ausgangsspannung 60 V übersteigt, ist sie nach Sicherheitsnormen als gefährlich eingestuft und erfordert eine Trennung zwischen dem Ausgang und jeder berührbaren Oberfläche. Die entsprechenden Normen liefern die jeweils gültigen Spezifikationen zu den Anforderungen an die Isolierung der Kriechstrecke, der Luftstrecke oder der Feststoffe. Jedes Modul hat eine Isolierungsnennspannung der Ausgänge zur Gehäuseerde, die bis zu einige hundert Volt betragen kann. Dies bedeutet aber auch, dass eine Reihenschaltung diesen Wert nicht überschreiten darf.

Eine Reihenschaltung kann auch dazu verwendet werden, einen bipolaren Ausgang zu erzeugen, etwa +/- 12 V mit geerdeter Nullspannung. In diesem Fall können Probleme auftreten, wenn Strom sowohl von einem Ausgang zur Masse in der Last als auch von positiv zu negativ fließen kann. Unter Startbedingungen ist es möglich, dass ein Ausgang des Moduls vorübergehend mit einer negativen Spannung beaufschlagt wird, was einen korrekten Betrieb verhindert. Aus diesem Grund ist es ratsam, antiparallele Dioden über jeden Ausgang zu schalten – idealerweise solche mit geringem Spannungsabfall.

GUI
Bild 2: Eine Momentaufnahme der grafischen Benutzeroberfläche für eine modulare Stromversorgung. (Bild: Advanced Energy)

Fazit

Die Entwicklung einer Stromversorgung, die den Benutzerspezifikationen exakt entspricht – ohne jedoch eine modulare Funktionalität zu bieten – mag als eine kostengünstigere Option angesehen werden. Das trifft aber nur dann zu, wenn es sich um ein Standardprodukt handelt, das sich bereits in Serienfertigung befindet. Ist die Spezifikation jedoch nicht standardisiert und muss als Sonderanfertigung in Auftrag gegeben werden, besteht ein erhebliches technisches und zeitliches Risiko, die Kosten für Entwicklung, Qualifizierung und behördliche Zertifizierung sind ungewiss und erfordern zur Amortisierung in der Regel zehntausende Produktverkäufe. Ändert sich die Spezifikation während der Produktentwicklung oder nach der Markteinführung, können diese Kosten erneut anfallen. Wenn Flexibilität, schnelle Markteinführung, geringes Risiko und eine vorzertifizierte Stromversorgung wichtig sind, dann kann ein modularer Ansatz die richtige Wahl sein. Advanced Energy ist ein Anbieter von modularen Stromversorgungen mit einer Leistung von bis zu 3 kW und mit bis zu 24 Ausgängen. Der Vertriebspartner Avnet Abacus berät Entwickler bei der Auslegung modularer Stromversorgungslösung.

Peter Kokot

Director Technical Marketing, Central Europe, bei Avnet Abacus

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