Vorschriften für den Wirkungsgrad und die EMV von Netzteilen

Ein Netzteil muss sicher in der Anwendung sein und Nutzer vor gefährlicher Netzspannung schützen. Es gibt entsprechende internationale Normen, die für jeden Anwendungsbereich gelten. Adapter oder externe Netzteile dürfen aber auch nicht die Umwelt durch unnötigen Stromverbrauch während des Betriebs und Leerlaufs belasten. Sie dürfen auch nicht andere Geräte durch leitungsgebundene oder abgestrahlte elektromagnetische Störungen (EMI) beschädigen oder stören. Für diese Aspekte gelten ebenfalls Standards, von denen einige obligatorisch und andere freiwillig sind. Die Anwendung und die Einsatzregion sind ebenfalls zu beachten. Ähnlich müssen Netzteile auch Immunität gegen leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen gemäß den internationalen Normen auf verschiedenen festgelegten Niveaus bieten, die unterschiedliche Anwendungsumgebungen abdecken. Normen für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) müssen Entwickler ebenfalls berücksichtigen. Auch hier gibt es regionale und anwendungsbezogene Abweichungen, vor allem für Produkte, die internationalen Standards genügen müssen und weltweit vermarktet werden.

Wie sich der Wirkungsgrad von Netzteilen berechnen lässt

In einer idealen Welt wären Netzteile zu 100 Prozent energieeffizient. Bei der Leistungswandlung – sei es von Wechselstrom zu Gleichstrom (AC/DC) oder von Gleichstrom zu Gleichstrom (DC/DC) – kommen jedoch viele diskrete Bauelemente zum Einsatz, von denen einige Energieverluste verursachen. Bei einem Schaltnetzteil entstehen die Gesamtverluste durch viele kleine Verluste über mehrere verschiedene Bauelemente hinweg. Induktivitäten und die für das Schalten verwendeten Halbleiter tragen zu den Verlusten bei, sind aber keineswegs die einzigen Komponenten.

Die Energieeffizienz eines AC/DC-Netzteils lässt sich berechnen, indem man die Ausgangsleistung durch die Eingangsleistung dividiert und das Ergebnis in Prozent angibt. Liefert ein Netzteil beispielsweise eine Ausgangsleistung von 12 V_DC bei 4 A Volllast, entspricht dies einer Leistung von 48 W. Wird am AC-Eingang ein Leistungsfaktor von 1 angenommen, ergeben 220 V_AC und 0,25 A eine Eingangsleistung von 55 W. Das Netzteil ist daher zu 87 Prozent effizient. In diesem Beispiel führt der Unterschied zwischen Eingangs- und Ausgangsleistung zu 7 W abzuführender Verlustwärme.

Abwärme ist ein wesentlicher Faktor bei der Entwicklung von Netzteilen. So kann etwa die Umgebungstemperatur eines Netzteils die Zuverlässigkeit der Bauelemente negativ beeinflussen. Je effizienter das Netzteil ist, desto weniger Abwärme wird abgeführt, und desto zuverlässiger ist das Netzteil während des Betriebs. Eine erhöhte Zuverlässigkeit der Bauelemente verlängert die Lebensdauer des Netzteils. Wird der Wirkungsgrad des Netzteils hochgehalten, ist auch keine lüftergestützte Kühlung erforderlich und allein die Konduktionskühlung führt die erzeugte Abwärme ab. Bei der Auswahl eines AC/DC-Netzteils findet sich im Datenblatt die Energieeffizienzklasse.

Eine weitere Überlegung in Bezug auf die Effizienz des Netzteils ist, dass sie nicht fest ist, denn die Energieeffizienz eines Leistungswandlers ändert sich mit der Last, die Anwender ihm auferlegen. Je geringer die Strombelastung am Ausgang des Netzteils ist, desto geringer die Effizienz der Leistungswandlung. Der Wirkungsgrad hängt auch von der AC-Spannung am Eingang ab. Daher müssen Entwickler im Datenblatt auch den entsprechende AC-Eingangsbereich überprüfen. Aber auch die Betriebstemperatur beeinflusst den Wirkungsgrad, denn einige Adapter verringern ihre maximale Ausgangsleistung mit steigender Temperatur. Für den Produktentwickler kommt es darauf an, den Wirkungsgrad im ungünstigsten Fall zu verstehen, falls er zusätzliche Kühlmethoden hinzufügen muss.

Diese Energieeffizienzstandards für Netzteile gibt es

Tabelle 1: Energieeffizienz/Wirkungsgrad unter US DoE Level VI für ein externes AC/DC-Netzteil mit einer Spannung. CUI

Angesichts des weltweit steigenden Energieverbrauchs achten die Menschen heute viel mehr darauf, wie effizient ein Netzteil ist. Die Gesetzgebung zur Energieeffizienz begann im Jahr 2004, als die California Energy Commission (CEC) den ersten formalen Energieeffizienzstandard festlegte. Mittlerweile gibt es in den meisten Regionen der Welt verbindliche Energieeffizienzstandards, die einen Mindestwirkungsgrad festlegen, der für ein Netzteil oder eine Stromversorgung erforderlich ist. In einigen Fällen haben Länder die US- oder EU-Standards übernommen oder angepasst, anstatt separate Gesetze zu erlassen. Seit der ursprünglichen Spezifikation der CEC gab es viele Überarbeitungen der zulässigen Effizienzgrenzwerte. Der derzeitige Standard in den USA lautet „Department of Energy Level VI“ (DoE Level VI) und wird in Europa seit dem 1. April 2020 von der Ecodesign-Richtlinie 2019/1782 abgedeckt. Diese Standards gelten nicht nur für das Netzteil, sondern für das gesamte System aus Netzteil und Endprodukt.

Im Laufe der Jahre gab es zunehmend Bedenken hinsichtlich des Energieverbrauchs, wenn sich das zu versorgende Gerät beziehungsweise System im Standby-Modus befindet. Anwender nahmen häufig an, dass der im Leerlauf verbrauchte Strom relativ gering ist, jedoch ist dies oftmals nicht der Fall. Die Standards DoE Level VI und Ecodesign 2019/1782 sind im Allgemeinen ähnlich, jedoch mit einer Ausnahme. Ecodesign erfordert das Testen der Energieeffizienz bei einer durchschnittlichen Last von 10 Prozent (Tabellen 1 und 2).

CoC Tier 1 führte 2014 einen Verbrauchsgrenzwert bei 10 Prozent des Laststroms ein, und die Anforderungen waren weniger anspruchsvoll als bei DoE Level VI. Die Ecodesign-Norm 2019/1782 trat im April 2020 in Kraft und entspricht nun den Anforderungen nach DoE Level VI für den durchschnittlichen Wirkungsgrad im aktiven Modus, obwohl sie weniger streng ist als die noch immer geltende CoC-Tier-2-Norm. Ecodesign beinhaltet den Wirkungsgradtest bei 10 Prozent Last, stellt jedoch keine Anforderungen.

So lässt sich der Wirkungsgrad von Netzteilen verbessern

Tabelle 2: Energieeffizienz/Wirkungsgrad nach der europäischen CoC-Tier-2-Norm. CUI

Jüngste Fortschritte in der Halbleitertechnologie helfen Entwicklern von Stromversorgungen, noch effizientere Netzteile bereitzustellen. Gerade die Schalttransistoren sind eine der Hauptquellen für Effizienzverluste innerhalb eines Netzteils. Diese Transistoren sind jetzt oftmals auf Basis von Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke (WBG; Wide Band-Gap) wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) erhältlich. WBG-basierte Transistoren haben viel geringere Schalt- und Leitungsverluste als ihre Silizium-(Si-)Varianten und bieten zudem erheblich höhere Durchbruchspannungen. Die Verwendung GaN-basierter Halbleiter bietet auch weitere Vorteile, da die Leistungswandlung bei höheren Schaltfrequenzen erfolgen kann, was einige der sperrigeren Bauelemente wie etwa Induktivitäten erheblich verkleinert. Ein Netzteil auf Basis von GaN-Schalttransistoren ist beispielsweise das externe Desktop-Netzteil SDI200G-U von CUI. Es kann kontinuierlich eine Ausgangsleistung von 200 W liefern und entspricht mit einer Energieeffizienz von 95 Prozent den Energieeffizienz-Spezifikationen DoE Level VI und CoC Tier 2. Mit einer im Vergleich zu Netzteilen auf Si-Basis erhöhten Schaltfrequenz wurde die Größe des SDI200G-U halbiert und das Gewicht um 32 Prozent verringert.

Elektromagnetische Verträglichkeit

Eine Reihe internationaler Standards legen die Höchstwerte für elektromagnetische Störungen (EMI) fest, die ein Netzteil erzeugen darf. In jedem Schaltnetzteil oder Adapter stammt der Großteil der EMI von den Schaltkreisen. Diese Störungen fallen in zwei Kategorien: leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen.

Was sind leitungsgebundene Störungen? Sie treten auf, wenn elektromagnetisches Rauschen das Netzteil verlässt, indem es sich entlang der Verbindungsleitungen zum DC-Ausgang ausbreitet. Dann können unbeabsichtigte Störungen den korrekten Betrieb des zu versorgenden Geräts beeinträchtigen. Solche Störungen sind meist niederfrequent im Bereich von 10 kHz bis 30 MHz. Oberhalb von 30 MHz verhalten sich die internen Leiter des Netzteils wie Antennen, was zur Abstrahlung unerwünschter Störsignale führt.

Netzteile müssen den einschlägigen EMV-Normen entsprechen. Da die Zahl elektronischer Geräte und Vorrichtungen in unseren Wohnungen, Büros und Autos immer weiter zunimmt, besteht ein zunehmender Bedarf an EMV-Konformitätsprüfungen, damit ein Gerät nicht den Betrieb eines anderen stört oder unterbricht.

Diese EMV-Standards gibt es für Netzteile

Tabelle 3: Grenzwerte für die Feldstärke nach CISPR 32 für leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen. CUI

In den USA legt der FCC-Part-15-Standard der Federal Communications Commission die Grenzwerte für leitungsgebundene und abgestrahlte EMI fest. Innerhalb Europas gilt die Norm CISPR 32, die mit der FCC Part 15 harmonisiert ist. Beide legen Grenzwerte für Geräte der Klassen A und B fest. Klasse A umfasst eine Vielzahl von Geräten für den Einsatz im gewerblichen und industriellen Bereich, während Klasse B für den Einsatz zuhause ausgelegt ist. Tabelle 3 beschreibt die europäischen CISPR-32-Grenzwerte für die Feldstärke für leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen.

Entwickler von Netzteilen nutzen verschiedene Filtertechniken und -komponenten, um unerwünschte Störungen zu reduzieren. Kondensatoren über der AC-Leitung (Bild 1) erzeugen Gleichtakt- und Differenzialmodus-Filter, um das vom Netzteil erzeugte leitungsgebundene Rauschen zu dämpfen.

Auf der DC-Ausgangsseite reduzieren Kondensatoren über den positiven und negativen Leitungen unerwünschte Störungen. Serieninduktivitäten am Ausgang werden zusammen mit Ferritperlen verwendet, um abgestrahlte Störungen zu begrenzen.

Bei der Wahl eines geeigneten AC/DC-Netzteils ist die Sicherheit nicht das einzige Kriterium. Hersteller müssen auch gewährleisten, dass das Netzteil den Energieeffizienzanforderungen der Länder entspricht, in denen es zum Einsatz kommt. Auch die Einhaltung der entsprechenden EMI-Standards stellt sicher, dass ein Netzteil oder eine Stromversorgung den Betrieb eines anderen Geräts nicht stört oder unterbricht.

(prm)