Optimale Ergebnisse bei der Verwendung von offenen AC/DC-Netzteilen

AC/DC-Stromversorgungen - manchmal auch als „Offline“-Stromversorgungen bezeichnet - werden häufig in der Beleuchtungs-, Display-, Informationstechnologie und in industriellen Anwendungen eingesetzt. Sie sind ein Standardbaustein für fast alle elektronischen Systeme, mit Ausnahme derer, die nur mit Batterien betrieben werden.

Einige Versionen dieser Netzteile werden als offene Einheiten geliefert, die als einfache, ungekapselte Leiterplatten in OEM-Systeme eingebettet werden, und sind auf die Endproduktverpackung angewiesen, um das erforderliche Gesamtgehäuse zu erhalten. Diese Stromversorgungen arbeiten in einem weiten Bereich von Netzwechselspannungen und werden in vielen Kombinationen von Ausgangsspannung, Strom und Leistung angeboten.

Obwohl sie funktional vollständig und relativ einfach zu verwenden sind, gibt es dennoch einige Überlegungen zur Implementierung, die Ingenieure bei ihrer Verwendung beachten müssen. Dazu gehören:

• Elektrische Sicherheit/Regulierung
• Wärmemanagement und Leistungsminderung
• Elektromagnetische Verträglichkeit

In diesem Artikel werden diese Überlegungen im Zusammenhang mit den offenen Netzteilen von XP Power und der konvektionsgekühlten 80-Watt(W)-Familie LCE80 untersucht.

Netzteile: Selbst herstellen oder kaufen?

In der Vergangenheit war eine der ersten Fragen im Zusammenhang mit der Notwendigkeit, sich für eines dieser Produkte zu entscheiden, die Frage: „Sollen wir es herstellen oder kaufen?“ Der Grund dafür ist, dass es zumindest im Prinzip nicht schwierig ist, eine oder mehrere Einheiten einer einfachen, funktionierenden Versorgung für <100 W zu entwerfen und zu bauen.

In der Praxis ist dies jedoch eine weitaus komplexere und vielschichtigere Situation, die eine entsprechende Planung und Konstruktion erfordert:

• Spezifikationen müssen unter allen Betriebsbedingungen, einschließlich hoher/niedriger AC-Versorgung, transientem Verhalten und Temperaturbereich eingehalten werden
• Die erforderlichen Schutzfunktionen wie Überspannungsschutz, Unterspannungsabschaltung und thermische Abschaltungen müssen vorhanden sein
• Die vielen komplexen weltweiten Vorschriften für Sicherheit, Effizienz und Ruhestrom müssen verstanden und beachtet werden
• Die verschiedenen Schock- und Vibrationsanforderungen müssen eingehalten werden
• Ein Plan zur Prüfung, Verifizierung und Zertifizierung der Leistung muss vorhanden sein

In der Realität ist es selbst für ein Team aus erfahrenen Ingenieuren eine große Herausforderung, ein erfolgreiches Design in angemessener Zeit und zu akzeptablen Vorlaufkosten mit einmaligem Entwicklungsaufwand (NRE), Stücklisten, Produktionsaufbau, Tests und Qualifizierung zu erstellen.

Selbst wenn die Anforderungen nicht mit einem Standardgerät erfüllt werden können, bieten die meisten Anbieter von AC/DC-Stromversorgungen einen Anpassungsservice an, bei dem ein Standardgerät so modifiziert wird, dass es den individuellen Anforderungen entspricht und gleichzeitig die zahlreichen technischen und gesetzlichen Anforderungen erfüllt.

Beginn der Implementierung eines offenen Netzteils

Eine offene Stromversorgung ist die Branchenbezeichnung für eine reine Platinenkonstruktion, die als einzelnes, komplettes Bauteil funktioniert, wie die der LCE80-Familie (Abbildung 1). Sie wird in die Endgeräteanwendung eingebaut, und dieses Endprodukt stellt sowohl die physikalische als auch die elektrische Schutzhülle für die Stromversorgung dar. Stromversorgungen mit offenem Rahmen bieten Flexibilität bei der Installation, hervorragende Leistung, erfüllen gesetzliche Normen und Vorschriften und sind kosteneffiziente Lösungen, die es dem Konstruktionsteam ermöglichen, sich mehr auf den Rest des Systemdesigns und dessen Differenzierung zu konzentrieren.

Abbildung 1: Bei den offenen 80-Watt-Netzteilen der Serie LCE80 sind alle erforderlichen Komponenten auf einer einzigen Platine untergebracht. (Bildquelle: XP Power)

Ein offenes Netzteil unterscheidet sich von einem anderen weit verbreiteten AC/DC-Netzteil, dem so genannten U-Kanal-Netzteil, bei dem die Netzteilplatine in ein U-förmiges Gehäuse eingebaut ist, das normalerweise aus Aluminium besteht (Abbildung 2). Ein gutes Beispiel ist das 100-Watt-Netzteil VCS100US12 von XP Power. Das Chassis bietet dem Gerätehersteller außerdem mehrere Möglichkeiten, das Netzteil in die endgültige Baugruppe einzubauen, und enthält häufig eine abnehmbare Abdeckung, die elektrischen und physischen Schutz bietet und für die Luftzirkulation perforiert ist.

Abbildung 2: Das U-Kanal-Netzteil VCS100US12 für 100 Watt verfügt über eine abnehmbare Schutzabdeckung. (Bildquelle: XP Power)

Auch wenn das offene Netzteil vollständig und einsatzbereit ist, gibt es noch Überlegungen zur elektrischen Sicherheit bzw. zu gesetzlichen Vorschriften, zur thermischen Leistung und zu Grenzwerten sowie zur Installation und elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).

Elektrische Sicherheit/Vorschriftenkonformität: Benutzer von Netzteilen mit offenem Rahmen müssen die Luft- und Kriechstromanforderungen beachten. Die Luftstrecke ist der kürzeste Abstand in der Luft zwischen zwei leitenden Teilen, während die Kriechstrecke der kürzeste Abstand entlang der Oberfläche eines festen isolierenden Materials zwischen zwei leitenden Teilen ist (Abbildung 3). Die erforderlichen Mindestwerte für diese beiden Faktoren hängen von der Versorgungsspannung sowie von den Betriebsbedingungen ab, z. B. von der zu erwartenden Verschmutzung durch Staub, Feuchtigkeit und andere Partikel in der Luft, die die Hochspannungsknoten umgibt oder auf der Oberfläche zwischen ihnen liegt.

Abbildung 3: Leiterplattendesigns müssen Mindestmaße für die Luftstrecke, den kürzesten Abstand in der Luft zwischen zwei leitenden Teilen, und die Kriechstrecke, den kürzesten Abstand entlang der Oberfläche eines festen isolierenden Materials zwischen zwei leitenden Teilen, einhalten. (Bildquelle: Altium Limited)

Die Stromversorgungen werden auch in verschiedene IEC-Klassen eingeteilt, die sich nach der Endanwendung richten:

• Klasse I: Der Schutz des Benutzers vor Stromschlägen wird durch eine Kombination aus Isolierung und Schutzerde erreicht
• Klasse II: Der Schutz des Benutzers vor Stromschlägen wird durch zwei Isolierungsebenen erreicht (entweder doppelt oder verstärkt)

Ein System der Klasse I erfordert einen Abstand von drei oder vier Millimetern (mm) zwischen jedem geerdeten Metallteil und jedem Primärteil der Stromversorgung, je nachdem, ob es sich um eine industrielle oder medizinische Endanwendung handelt. Dies kann zusätzliche Isolatoren um die offene Netzteilbaugruppe erforderlich machen; Klasse-II-Netzteile benötigen möglicherweise größere Kriech- und Luftstrecken.

Bei Verwendung eines Netzteils der Klasse I ist die Schutzerdung des Netzteils ein integraler Bestandteil des elektrischen Systems und muss sicher mit der Sicherheitserdung des Geräts verbunden sein. Außerdem ist wahrscheinlich mehr als eine Erdung der Baugruppe erforderlich, was sich auf die elektrischen Emissionen und die Empfindlichkeit auswirkt (siehe weiter unten).

Sowohl offene als auch U-Kanal-Netzteile verfügen über eine integrierte Sicherung; für Anwendungen in der Medizintechnik werden zwei Sicherungen benötigt.

Die Sicherungen sind in der Regel fest in die Stromversorgung eingebaut und können nicht vor Ort ausgetauscht werden, da der einzige Grund für das Auslösen (Öffnen) einer Sicherung ein Ausfall der Stromversorgung ist, die vor der erneuten Verwendung des Systems repariert oder ersetzt werden muss. Darüber hinaus kann es zusätzliche Anforderungen für systemweite Sicherungen zum Schutz vor Problemen mit Verbindungskabeln und -anschlüssen sowie anderen Schaltkreisen geben, die nicht mit der Stromversorgung zusammenhängen.

Wärmemanagement und Leistungsminderung: Wärme ist ein bekanntes Problem in allen elektronischen Systemen, da sie die Hauptursache für Komponentenermüdung und stressbedingte Ausfälle ist, einschließlich Brüchen aufgrund von Temperaturschwankungen. Unabhängig von den spezifischen Spannungs- und Stromwerten des Netzteils geht es den Entwicklern in erster Linie um die Gesamtleistung in Watt, die das Netzteil liefert.

Die Hersteller entwerfen oft eine Familie von Netzteilen für eine bestimmte maximale Nennleistung und legen dann die Spannungs- und Stromwerte entsprechend fest. Zum Beispiel sind alle Geräte der Serie LCE80 von XP Power für maximal 80 W ausgelegt, wobei das Gerät mit der niedrigsten Spannung, das LCE80PS05, 5 Volt bei bis zu 12 A liefert (60 W!), während das Gerät mit der höchsten Spannung, das LCE80PS54, 54 Volt bei bis zu 1,48 A liefert. Dazwischen liegen acht weitere DC-Ausgangsoptionen von 12 Volt, 15 Volt, 20 Volt, 24 Volt, 30 Volt, 36 Volt, 42 Volt und 48 Volt.

Die Netzteile arbeiten in einem Eingangsspannungsbereich von 90 bis 305 Volt AC, wobei selbst bei einer niedrigen Spannung von 90 Volt die volle Lastleistung zur Verfügung steht. Der Wirkungsgrad liegt bei fast 90 %, was bedeutet, dass nur 8 W von der Stromversorgung abgeführt werden; die restlichen 72 W stehen für den Systembedarf zur Verfügung. Alle Familienmitglieder messen 101,6 mm × 50,8 mm × 27,9 mm. Der Betriebstemperaturbereich beträgt -40°C bis +70°C, wobei die volle Leistung von -30°C (-40°C bei hoher AC-Leistung) bis +50°C zur Verfügung steht. Die berechnete mittlere Zeit zwischen zwei Ausfällen (MTBF) beträgt 300 Kilostunden, gemäß MIL-HDBK-217F.

Alle Geräte der Serie erfüllen die zahlreichen relevanten Normen, einschließlich (aber nicht beschränkt auf) EN55032 Klasse B für leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen; EN55035, EN61547 und EN61000-4-2/3/4/5/6/8/11 für EMV-Immunität; EN61000-3-2 Oberschwingungsstrom Klasse C für 50 W Last und darüber. Die Sicherheitszulassungen umfassen CB IEC62368-1 (ITE), IEC60950-1 (ITE), UL62368-1 (ITE), TÜV EN62368-1 (ITE), EN61347 (Beleuchtung) und UL8750 (Beleuchtung).

Die Effizienz jeder Versorgung ist entscheidend, da sie bestimmt, wie die erzeugte Wärme verwaltet wird. Netzteile in offener Bauform können mit passiver Konvektion, aktiver Zwangsluftkühlung (Lüfter) oder einer Kombination aus beidem gekühlt werden. Viele Entwickler ziehen es vor, Netzteile zu wählen, die so spezifiziert sind, dass sie nur mit passiver Luftkühlung funktionieren und keinen Lüfter verwenden, und zwar aus vielen Gründen:

• Es spart direkte Stücklistenkosten und reduziert die Produktmontagezeit.
• Es wird eine potenzielle Fehlerquelle, der Lüfter, eliminiert, die zu einer Überhitzung führen und die Lebensdauer des Netzteils erheblich verkürzen würde.
• Es werden Probleme im Zusammenhang mit der Steuerung der Lüftergeschwindigkeit und des Betriebs vermieden, die normalerweise auf der Erfassung der Umgebungstemperatur basieren.
• Es ist offensichtlich leiser, was in vielen Situationen ein wichtiger Faktor ist.
• Es wird vermieden, dass der Endnutzer durch das Blockieren des Lüftereinlasses oder -auslasses unbeabsichtigt Überhitzungsprobleme verursacht.

Kurz gesagt, der Verzicht auf einen Lüfter erhöht die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems erheblich, vereinfacht die mechanische Konstruktion und reduziert die Kosten. Um lüfterlos arbeiten zu können, müssen die Entwickler im Datenblatt des Netzteils nachsehen, ob eine Zwangsbelüftung erforderlich ist, um die angegebenen Spezifikationen zu erfüllen, oder ob passive Konvektion ausreicht.

Zu dieser Prüfung gehört die Überprüfung der Höchsttemperatur, für die der Hersteller die Einhaltung aller Spezifikationen garantiert, sowie der Leistungsminderungskurve (Derating), die angibt, wie stark die Ausgangsleistung bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur abnimmt. Ein gut konzipiertes Netzteil hält die Nennleistung bis zu einer Umgebungstemperatur von 50⁰C und bei Eingangsspannungen bis hinunter zu 90 Volt aufrecht. Im Gegensatz dazu werben einige Produkte mit einer „Spitzenleistung“, drosseln aber schnell bis zu 20 % bei niedriger AC-Netzleistung und drosseln die verfügbare Leistung bereits bei Umgebungstemperaturen von 40⁰C. Bei der LCE80-Serie wird die volle Leistung bis zu 50⁰C garantiert, wobei die Leistung bis zu einer Höchsttemperatur von 70⁰C linear auf 50 % reduziert wird (Abbildung 4).

Abbildung 4: Diese Leistungsminderungskurve für die LCE80-Serie zeigt, dass diese Netzteile ihre 80W-Leistung bis zu 50⁰C beibehalten und dann um 50 % auf 40 W bei einer maximalen Betriebstemperatur von 70⁰C abfallen. (Bildquelle: XP Power)

Die Einbaulage, die Ausrichtung, der verfügbare Platz, die Belastung und die umgebenden Teile sowie die Luftkühlung sind bei jeder Anwendung einzigartig. Es ist wichtig, die Temperatur an der Einspeisung mit offenem Rahmen zu modellieren und zu messen und nicht an einer anderen Stelle im Systemgehäuse, da es zu großen, stark lokalisierten Schwankungen kommen kann.

Ein entscheidender Faktor bei der Bestimmung der geschätzten Lebensdauer eines Netzteils ist eine Lebensdauerkurve, die auf der Temperatur der Elektrolytkondensatoren basiert, die die einzigen Teile mit einem Verschleißmechanismus sind. Alle Berechnungen der Lebensdauer von Elektrolytkondensatoren beruhen auf der Arrhenius-Gleichung, wonach sich die Reaktionsgeschwindigkeit pro zehn Grad Celsius Temperaturerhöhung verdoppelt und damit die Lebensdauer halbiert (Abbildung 5). Ein guter Anhaltspunkt für die Lebensdauer kann durch Messung der Gehäusetemperatur des Bauteils und Anwendung der Arrhenius-Gleichung auf die angegebene Temperatur und Auslegungslebensdauer ermittelt werden.

Abbildung 5: Die thermischen Leistungsminderungskurven für zwei typische Elektrolytkondensatoren zeigen die Halbierung der Lebensdauer pro 10⁰C Temperaturanstieg, entsprechend der Arrhenius-Gleichung (rechts). (Bildquelle: XP Power)

Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit: Stromversorgungen mit offenem Rahmen erfordern in der Regel zwei und manchmal drei Montagepunkte, die mit der Erde verbunden werden müssen, um die Normen zu erfüllen. In einem System der Klasse I ist einer dieser Anschlüsse für die Sicherheitserdung erforderlich und befindet sich an der Eingangsseite der Baugruppe. Über diesen Anschluss werden auch die Gleichtaktfilterkondensatoren zwischen Netz und Erde und zwischen Null und Erde angeschlossen, die auch als Y-Kondensatoren bezeichnet werden (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Y-Kondensatoren dienen als Gleichtaktfilter und werden auf der Eingangsseite des Netzteils verwendet, um die Leitung und den Nullleiter mit der Erde zu verbinden. (Bildquelle: www.blogranya.blogspot.com)

Diese Kondensatoren arbeiten mit den Gleichtaktdrosseln im Netzteil zusammen, um das Rauschen zu dämpfen, das durch schnelle Spannungsänderungen in der Leistungsstufe des Netzteils entsteht. Diese Ausgangs-Gleichtaktkondensatoren sind entscheidend für die EMV-Leistung des Netzteils und müssen für eine optimale EMV-Leistung angeschlossen werden.

Es ist notwendig, diese Punkte miteinander zu verbinden, um die EMV-Konformität mit offenen Netzteilen zu gewährleisten. Die Punkte, die geerdet oder zusammengeschaltet werden müssen, sind in der Regel im Datenblatt des Netzteils angegeben, und am besten lassen sich diese Punkte verbinden, indem das Netzteil auf einer geerdeten Metallplatte montiert wird (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die in der Zeichnung mit dem Erdungssymbol gekennzeichneten Montagebohrungen müssen bei Anwendungen der Klasse I mit der Sicherheitserdung verbunden sein oder bei Anwendungen der Klasse II miteinander verbunden werden. (Bildquelle: XP Power)

Diese Platte muss mit nichts anderem verbunden werden, da ihre Funktion darin besteht, einen niederohmigen Pfad mit geringen parasitären Elementen für die Verbindungen der Filterkondensatoren mit der Masse zu schaffen. Montagebohrungen, die mit dem Erdungssymbol gekennzeichnet sind, müssen bei Anwendungen der Klasse I mit der Sicherheitserde verbunden sein oder bei Anwendungen der Klasse II miteinander verbunden werden.

Generell sollten alle Eingangs- und Ausgangskabel des Netzteils getrennt voneinander verlegt werden, und es sollte vermieden werden, dass sie sich in der Nähe der offenen Baugruppe befinden. Dadurch werden potenzielle Probleme minimiert, bei denen die in der Stromversorgung erzeugte elektromagnetische Strahlung leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen in die Endgeräte induziert.

Fazit

Entwickler können ihren Implementierungsprozess verkürzen und verbessern, indem sie sich auf eine einzige Familie von offenen Netzteilen mit unterschiedlichen Spannungs-/Stromwerten konzentrieren, während alle anderen Faktoren unverändert bleiben. Dies vereinfacht die Montage, die Erdung, die EMV und die thermische Analyse, die Überlegungen zur Leistungsreduzierung, die Berechnungen des Leistungsumfangs, die physischen Verbindungen und die Verkabelung.