Neue Generation industrieller Einbaunetzteile Neue Schaltungstopologien für höhere Leistungsdichte

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Steigende Anforderungen an Wirkungsgrad, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit treiben die Weiterentwicklung industrieller Einbaunetzteile voran. Neue Topologien ermöglichen mehr Leistung auf kleinerem Raum. Neue Freiheitsgrade im Gerätekonzept entstehen.

In der Elektronikindustrie steigen die Anforderungen stetig in Bezug auf Wirkungsgrad, Spitzenlastfähigkeit, erhöhte Umgebungsspezifikationen und Sicherheitsanforderungen. Miniaturisierung, thermisches Management, Zertifizierung und Time-to-Market sind weitere Herausforderungen, mit denen sich Entwickler auseinandersetzen müssen. Insbesondere in systemkritischen Industrieanwendungen und im Medizinbereich sind eine hohe Ausfallsicherheit und eine lange Betriebserwartung wichtige Voraussetzungen. Um diese Aufgaben zu meistern, müssen Hersteller von Netzteilen ihre Produkte kontinuierlich weiterentwickeln.

Endgeräte werden kontinuierlich kleiner, was den nutzbaren Bauraum in elektronischen Endgeräten und Anlagen für Elektronik limitiert. Wenn Hersteller immer kleinere Bauformen bei Netzteilen und anderen Komponenten anstreben, erhöhen sie die Designflexibilität bei der Montage und Auslegung der Endgeräte und ermöglichen den Einsatz sogar in den kompaktesten Geräten. Enabler für die reduzierten Baugrößen sind neueste Schaltungstopologien und die damit verbundene Steigerung des Wirkungsgrads. Dank der höheren Effizienz und der niedrigeren Eigenerwärmung lassen sich die im Netzteil verarbeiteten elektronischen Komponenten (z.B. Leistungshalbleiter) dichter aneinander positionieren. Das führt zu einer höheren Packungsdichte und Leistungsfähigkeit (W/cm³) sowie zu einem niedrigeren Gewicht. Die geringe Eigenerwärmung und der hohe Wirkungsgrad ermöglichen ein nachhaltiges Endgerät mit einfachem Wärmedesign und kompakter Bauform.

Allerdings kann ein begrenzter Bauraum zu einem Hitzestau durch die Verlustleistung der verbauten Komponenten führen. Zu den möglichen Schäden zählen ein geschädigtes Endgerät oder die verkürzte Lebenszeit. Dadurch wird ein effektives thermisches Konzept wichtiger und bei kleinen oder gar „verwinkelten“ Geräten aufwändiger. Abhilfe schaffen hier hocheffiziente Netzteile und andere Baugruppen mit geringer Verlustleistung, da sie den Kühlaufwand im Endgerät enorm verringern und die Auslegung des thermischen Designs erleichtern.

Je nach Anwendung und geforderter Norm kann der Zertifizierungsaufwand für Endgeräte sehr hoch sein. Netzteile sind in Endgeräten als sicherheitsrelevante und kritische Komponenten zu betrachten. Um die Time-to-Market möglichst kurz zu halten, müssen Zertifizierungsprozesse rasch umgesetzt werden. Die Zertifizierung verwendeter Baugruppen erleichtert Konstrukteuren die Zulassung ihrer Endgeräte für die verschiedensten Anwendungen. Abhängig von den Einsatzbereichen sind verschiedene Normen relevant, darunter von IEC/EN/UL 62368 (Sicherheitsanforderungen bei Einrichtungen für Audio-/Video-, Informations- und Kommunikationstechnik), IEC/EN 60335 (Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke), IEC/EN 61558 (Sicherheit von Transformatoren und Netzgeräten), IEC/EN/UL 61010 (Sicherheitsbestimmungen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte) sowie IEC/EN 62477 (Sicherheitsanforderungen an Leistungselektronik-Umrichtersysteme und -betriebsmittel). Es ist also empfehlenswert, auf Stromversorgungen zu setzen, die bereits ab Werk für viele Branchen zertifiziert sind. Das vereinfacht und beschleunigt den Zertifizierungsprozess des gesamten Systems, in das das Netzteil eingebaut werden soll, erheblich.

Lösungen für anspruchsvolle Anwendungen

Als Antwort auf diese Herausforderungen hat der Hersteller Mean Well die industriellen Einbaunetzteile der NSP-Serien konzipiert. Es handelt sich um zertifizierte Lösungen für anspruchsvolle Anwendungen in der Industrie bis hin zum Haushalt. Sie decken den Leistungsbereich von 75 bis 750 W ab; Varianten mit 1.000 und 2.400 W sollen folgen. Die NSP-200-Typen zielen auch auf medizinische Anwendungen ab, wofür sie zudem nach der Medizinnorm IEC/EN 60601 bzw. ANSI/AAMI 60601 für BF-„Body Floating"-Patientenanwendungen zertifiziert sind. Mit 159mm x 97mm x 30mm weisen sie eine kompakte und flache Bauform auf. Im Vergleich zum Vorgängermodell wurde das Volumen um rund 38 % reduziert. Die NSP-Serien erzielen aufgrund ihrer höheren Packungsdichte, Leistungsfähigkeit und Gewichtsreduzierung Wirkungsgrade von 89 % bis 95 % (im Vergleich zu 75,5 % bis 92 % bei den älteren (RSP-)Serien im identischen Leistungsbereich). Am konkreten Beispiel des 200-W-Modells der RSP- und NSP-Serien zeigt sich eine maximale Steigerung des Wirkungsgrads um 6,5%. Dadurch ergibt sich nahezu eine Halbierung der Verlustleistung (mehr als 16 W bei Volllast) und eine entsprechende Reduzierung der Eigenerwärmung.

Neben dem maximalen Wirkungsgrad wurde auch der lastabhängige Effizienzverlauf über das Leistungsspektrum des Netzteils verbessert. Dies ist in einer flach abfallenden Kurve des Wirkungsgrads im Verhältnis zur sinkenden Auslastung erkennbar (Bild 1). Trotz des guten Wirkungsgrads erfordern NSP-Netzteile ab 320 W einen Gerätelüfter, da sie nicht über eine Kontaktkühlung verfügen. Zwar sind Low-Noise-Lüfter verbaut, jedoch ist eine Restgeräuschentwicklung unvermeidbar. In sensiblen Anwendungen, in denen absolute Stille gefordert ist, können kontaktgekühlte Netzteile die bessere Wahl sein. (Genaue Angaben zur Geräuschentwicklung sind im Datenblatt enthalten.)

Eine geringe Eigenerwärmung optimiert das Deratingverhalten (Bild 2) und erweitert den Betriebstemperaturbereich, wie bei den NSP-Serien. So wurde der erlaubte Betriebstemperaturbereich des NSP-200 auf -40 °C bis 85 °C erweitert. Ein optimiertes Temperaturderating steigert die Leistungsfähigkeit zusätzlich. Ein Betrieb unter Volllast und ohne Leistungsreduzierung ist nun bis zu einer Umgebungstemperatur von 60 °C möglich. Damit sind die Netzteile auch bei hohen Umgebungstemperaturen einsetzbar.

Zuverlässigkeit und Sicherheit

Um ein breites Anwendungsfenster bei rauen Umweltbedingungen zu ermöglichen, ist die Elektronik des NSP bereits im Standardgerät verlackt. Diese sogenannte „Conformal Coating“-Verlackung schützt vor Umwelteinflüssen und kann beispielsweise eine Oxidation verhindern. Da die Netzteile eine Lochblechgehäuse besitzen und nicht vollständig geschlossen oder vergossen sind, ist ein Einsatz in stark feuchten, öligen oder anderweitig belasteten Umgebungen nicht empfehlenswert. Für solche Einsatzbereiche sollten voll gekapselte Netzteile mit der Schutzart IP65 oder höher verwendet werden.

Beim Einsatz in stark schmutzigen oder staubigen Geräten sind, gerade beim Einsatz von Netzteilen mit integriertem Gerätelüfter, zusätzliche Schutzmaßnahmen zu prüfen. So sollte beispielsweise durch den Einsatz von Filtern sichergestellt werden, dass kein Schmutz in das Netzteil gelangt, da dies zu Beschädigungen führen kann.

Die vom Hersteller ermittelte voraussichtliche Betriebserwartung ist auf 50.000 h bei 50 °C ta gestiegen. Bei Einhaltung der maximalen Temperaturwerte sind die Geräte vor Überhitzung, Abschaltung oder gar Ausfall geschützt. Das elektrische Design der NSP-200-Serie ist für Leckströme kleiner als 350 µA, 2 x MOPP und eine Spannungsfestigkeit von 4,2 kV Input/Output ausgelegt. Dank der Einhaltung der Überspannungskategorie III können die Netzteile innerhalb von Gebäuden installiert werden, insbesondere von der Hauptverteilung bis zu den fest installierten Verbrauchern (Bild 3). Der Weitbereichseingang von 85 bis 305 VAC deckt die gängigen globalen Netzspannungen, einschließlich 277 VAC in Nordamerika, ab. In DC-Netzen kann im Bereich von 120 bis 431 VDC gearbeitet werden. Dies und eine Reihe zusätzlicher internationaler Approbationen wie CB, UL, CE, BSMI, CCC, EAC, BIS und KC, ermöglichen den internationalen Einsatz. Mit einer Standby-Leistungsaufnahme im Remote-Betrieb von 0,3 W bis 0,5 W werden Ecodesign-Anforderungen für verschiedenste Endanwendungen erfüllt.

Erweiterte Funktionalität

Zusätzlich zum DC-OK-Fernmeldekontakt verfügen die NSP-200-Typen über eine Remote-Sense- und Remote-ON/OFF-Funktion und eine Spitzenlastfähigkeit von bis zu 200 %. Im Überlastfall gehen sie in den sogenannten „Constant Current Limiting“-Modus. Dabei wird der ausgegebene Strom mit dem Ansprechen der Schutzschaltung auf den Nennwert begrenzt und dauerhaft ausgegeben, während die Spannung am Netzteil heruntergezogen wird. Aufgrund der Peak-Power-Funktion steht jedoch kurzzeitig das Doppelte der Nennleistung zur Verfügung. Die lieferfähige Spitzenleistung für eine spezifische Anwendung hängt von der durchschnittlichen Belastung der Stromversorgung ab und lässt sich relativ einfach anhand einer im Datenblatt aufgezeigten Formel errechnen. Die Spitzenleistung steht für maximal fünf Sekunden zur Verfügung. Der Durchschnitt aus Spitzen- und Regelleistung, die dem Netzteil entnommen werden, darf die Nennleistung nicht überschreiten. Das zeitliche Verhältnis von Spitzen- zu Regelleistung sollte maximal 35 % betragen. Unter Berücksichtigung dieser Parameter kann das NSP-200 maximal bis zu 400 W Spitzenleistung liefern. Netzteile mit Peak-Power-Funktion bieten gegenüber Standard-Netzteilen den Vorteil, dass sie nicht auf die Spitzenlast der Anwendung dimensioniert werden müssen.

Ein eins-zu-einsPlug-and-Play RSP gegen NSP ist aufgrund der mechanischen Inkompatibilität nicht möglich. Obwohl die NSP-Serie kompakter ist, müssen oft Montagelöcher oder Befestigungsvorrichtungen angepasst werden. Zudem können Stecker oder Pinbelegungen abweichen, sodass eine Umkonfektionierung bestehender Kabel erforderlich ist. Aus Kostensicht sollte ein direkter 1:1 Austausch bestehender, validierter Designs (z.B. der RSP-Serie) gegen NSP-Modelle gut abgewägt werden. Der Aufwand für eine Neuzertifizierung und mechanische Anpassungen kann die Vorteile gegebenenfalls überwiegen, insbesondere wenn Vorgängermodelle noch verfügbar sind. Für Neuentwicklungen stellt sich diese Überlegung natürlich nicht. (mr)

* Frank Stocker ist Field Application Engineer Power Supplies bei Schukat Electronic.

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