Stromversorgung Was ein Netzteil mit einem Datenbus bietet

Gesponsert von

RECOM Power GmbH

Netzteile mit einer Schnittstelle lassen sich steuern und überwachen. So kann Ausgangsstrom und -spannung dynamisch angepasst werden. Mit dem Datenbus ergeben sich für Entwickler weitere Perspektiven.

Stellen wir uns Anwendungen für Netzteile vor, wo kurzzeitig hohe Leistungen gebraucht werden. Die im Mittel benötigte Leistung ist jedoch signifikant geringer. Solche Anwendungen können beispielsweise 3D-Drucker, Laserschneiden oder ein Roboterarm in der Automatisierung sein, der schnell bewegt werden muss, danach aber wieder in seiner Position verharrt.

Der Entwickler solcher Geräte könnten ein Netzgerät einsetzen, das dauerhaft die höchste vorkommende Leistungsspitze abdeckt, das sogenannte Worst Case Load Current. Allerdings wäre das unverhältnismäßig teuer und mit Bezug auf den Wirkungsgrad nicht optimiert. Außerdem wäre der Einsatz eines solchen Netzteils sogar gefährlich. Im Fehlerfall wäre die gelieferte Leistung im Verbraucher so groß, dass ein Brand entstehen könnte.

Die Wahl eines geeigneten Netzteils

Was liegt also näher, ein etwas kleineres Netzteil zu wählen. Es liefert allerdings kurzzeitig eine hohe Ausgangsleistung und begrenzt dennoch den Strom im Dauerfehlerfall. Wann das Netzteil welche Leistung bringen muss, das bestimmt die Art der Anwendung. Für den Entwickler bedeutet das, er muss die Anwendung und die Verbraucher sehr genau kennen und dabei das Netzteil frei programmieren. Dazu eignet sich eine digitale Schnittstelle viel besser als ein Analogeingang.

Das trifft vor allem dann zu, wenn noch Funktionen für die Überwachung in das Netzteil implementiert werden. Wann fließt welcher Strom? Ist er noch plausibel oder verhält sich der Verbraucher abnormal? Mit entsprechenden Funktionen im Netzteil und einem geeigneten Datenbus lassen sich alle an das Netzteil angeschlossenen Verbraucher einfach und sicher überwachen. Für alle genannten Aufgaben hat sich der PMBus (Power Management Bus) etabliert, der in vielen modernen Netzteilen eingebaut ist.

Der PMBus als offener Standard

Der Power Management Bus oder kurz PMBus ist ein offener Standard für ein digitales Energiemanagement-Protokoll. Der Bus ist einfach, robust und erweiterbar. Rund 40 PMBus-Mitgliedsunternehmen übernehmen, fördern und verbessern den Standard.

Mit dem PMBus lassen sich die Betriebsparameter eines oder mehrerer Netzteile einstellen. Wird beispielsweise ein Netzteil nicht benötigt, so lässt sich dieses ganz abschalten. Möglich ist auch, die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom dynamisch anzupassen. Durch eine programmierbare Lüfter-Stromversorgung wird aus einem ganz normalen ein intelligenter Lüfter: Die Lüfter Aktivität und die Drehzahl passen sich automatisch an die entsprechende Ausgangsleistung an.

Damit ist es möglich, akustische Geräusche auf ein Minimum zu reduzieren oder die Lüfter-Langlebigkeit zu garantieren. Alle genannten Funktionen lassen sich mit einem Standard-PMBus realisieren. Das hat außerdem den Vorteil hat, dass er auf dem I²C-Protokoll basiert. Über diese Schnittstelle verfügt fast jeder Mikrocontroller.

Der PMBus liefert in Echtzeit Statusdaten

Ebenso wichtig wie der Befehlssatz der PM-Steuerung sind die verschiedenen Überwachungsfunktionen. Der PMBus liefert Echtzeit-Statusdaten wie aktuelle Eingangs- und Ausgangsströme, -spannungen und Leistung, die Temperatur kritischer Komponenten und detaillierte Fehlerdiagnosen. Anhand dieser Informationen ist es möglich, bei einer Anwendung mögliche drohende Überlast- oder Übertemperaturbedingungen vorherzusagen noch bevor sie auftreten. Steigt beispielsweise die Innentemperatur im Netzteil durch eine unzureichende Kühlung, dann stößt das Netzteil nicht einfach an seine Grenzen und schaltet ab, sondern warnt vor dem Erreichen der kritischen Schwellen.

Aber der PMBus überwacht und steuert nicht nur einfach das Netzteil. Der Bus ist außerdem direkt mit dem internen Mikrocontroller im Netzteil verbunden, der die digitale Rückkopplungsschleife steuert. Somit lassen sich nicht nur die Betriebsparameter einstellen und überwachen. Es lassen sich außerdem auch das Einschwingverhalten, die Anstiegsgeschwindigkeiten und die Kompensationsmatrizen modifizieren. Dadurch kann der Betrieb des Netzteils an das Lastmuster der Anwendung angepasst oder dynamisch während des Betriebs (On the Fly) angepasst werden. Kurz gesagt: Das Standard-Netzteil wird dank der PMBus-Schnittstelle zu einem angepasstem Netzteil.

Kontinuierliche Ausgangsleistung bis 1.000 W

Die bisher erwähnten Eigenschaften sind im Netzteil mit der Bezeichnung RACM1200-V des Herstellers RECOM bereits integriert. Die Serie setzt damit einen neuen Maßstab als ein kompaktes Netzteil in der Klasse der AC/DC-Netzteile. Außerdem lässt sich die Serie zuverlässig ohne Lüfter betreiben und unterstützt damit eine langfristige Systemverfügbarkeit.

Das über eine spezielle Grundplatte gekühlte Design lenkt gezielt den Wärmestrom aus der Applikation heraus. Damit ermöglicht das Netzteil eine eine kontinuierliche Ausgangsleistung von bis zu 1.000 W. Kurzfristig ist zudem eine Ausgangsleistung von bis zu 1.200 W möglich. Wenn ein optionaler Systemlüfter an den Fan-Ausgang angeschlossen ist, kann das Netzteil dauerhaft 1.200 W liefern.

Das Netzteil verfügt über einen großen Einstellbereich der Ausgangsspannung und eine Kombination aus der konstanten Regelung von Spannung-, Leistung- und Hiccup-Modus-Einstellungen. Damit eignet sich das Netzteil für ganz unterschiedliche Einsatzszenarien und es unterstützt vor allem die Eigensicherheit der jeweiligen Applikation. Verschiedene analoge Steuer- und Überwachungsfunktionen sind über den Stecker zugänglich, ebenso die beiden Hilfsausgänge; ein programmierbarer 5-V- bis 12-V-Systemlüfterausgang und ein isolierter, Always-on-Standby-Ausgang mit 5 V und einem Strom von 1 A. Über diesen Ausgang lassen sich unter anderem Housekeeping-Funktionen versorgen.

Vorprogrammierte Firmware-Einstellungen

Die RACM1200-V-Serie lässt sich auf inhärent ausfallsichere Einstellungen beschränken. Das erfolgt durch intelligente, kontrollierte und fehlerbegrenzende Funktionen in einem projektabhängigen Firmwaresetting. In der Standardausführung ist ein interner Status durch zwei Signalleitungen und die Indikator-LED auszulesen. Die PMBus Version RACM1200-V/PMB bietet zusätzlich zu analogen Status und Steuerpins eine digitale Schnittstelle.

Darüber hinaus können Anwender ihre Anpassungen direkt an dem Netzgerät vornehmen. Für die Programmierung der Schnittstelle bietet der Hersteller ein CLI = Command Line Interface. Auf Anfrage wird das Gerät für die entsprechende Kundenanwendung mit der gewünschten Firmware-Einstellung vorprogrammiert.

Beide Versionen erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 95 Prozent und zusätzlich erfüllt das Gerät im Standby-Modus die Ökodesign-Anforderungen. Die Serie verfügt über weltweite Sicherheitszulassungen für medizinische (2x MOPP, BF), industrielle und ITE-Standards sowie über Prüfungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) gemäß Klasse A Immunität und Klasse B Emissionen.

Interview mit Michael Schrutka von RECOM

Was war der eigentliche Leitgedanke für das RACM1200-V?

Der zentrale Leitgedanke am RACM1200-V war die Herausforderung eine bisher noch nicht realisierte und sehr anwendungsfreundliche Plattform für AC/DC-Anwendungen bis 1.000 W zu kreieren.

Sie sollte sich einfach anpassen und kostengünstig sein und an unterschiedliche Anwendungsgebiete der Automatisierungstechnik, der Medizintechnik, in der Industrie sowie der IT wie PoE-Anwendungen sein.

Was verstehen Sie unter anwendungsfreundlich, welcher Kundennutzen steht dahinter?

Unter anwendungsfreundlich stehen die Erwartungshaltungen: Weitgehend Lüfter freier Betrieb, um Geräusche und relevante Wartungsaufwände zu eliminieren, einfache mechanische Integration in Applikationssysteme dank durchdachter Entwärmungsstrategien und eine kompakte Bauform. Solche Maße waren bisher in Netzteilen bis 600 W anzutreffen.

Schließlich eine ressourcenschonende Technik, die ohne Verguss auskommt und optimiert ist für automatische Bestückung. Damit lassen sich sie die Geräte auch in Mitteleuropa kostengünstig fertigen.

Was ist an einer einfachen und kostengünstigen Anpassung besonders?

Hochperformante Netzgeräte mit einer solchen Leistungsdichte in Lüfter freier Bauform sind rar, weil sie sehr speziell optimiert aufgebaut werden. Je kompromissloser die Technik ist, desto komplexer ist eine Änderung, wenn das Entwicklungsteam nicht ein hohes Augenmaß auf die Anforderung legt.

Unsere Plattform lässt Modifikationen ab einer Fertigungslosgröße von 300 Stück zu. Stromversorgungen mit PMBus und Kontrollmöglichkeiten lassen sich „von der Stange“ sehr flexibel adaptieren. Die RACM1200-V Plattform bietet optional einen PMBus und steuerbare Funktionen wie Strombegrenzung.

Ab wann sprechen Sie von kundenspezifischen Modifikationen?

Sollen Rahmenbedingungen oder Anforderungen den spezifizierten Bereich überschreiten, ist die Langzeit-Zuverlässigkeit des Netzgerätes in dem gewünschten Betriebsbereich noch nicht evaluiert. Per PMBus kann der Kunde die Limits nicht über Befehle setzen, wie beispielsweise Schaltfrequenzen.

Allerdings bestimmen sie eine optimierte Aussteuerung in speziellen Arbeitsbereichen. Unsere Ingenieure würden nach Evaluierung die Firmware entsprechend aufmachen und die dazugehörigen Betriebsbedingungen mit dem Kunden vereinbaren. Sobald die Komponenten über ihre Grenzen belastet werden, kommen noch Hardware-Modifikationen hinzu, wobei das Layout in weiten Teilen nicht verändert werden muss.

Unterstützen Sie Ihre Kunden beim Zugriff auf das Netzgerät via PMBus?

Wir stellen ein produktspezifisches CLI Command Line Interface bereit. Ein eigenes RECOM-GUI ist von Seiten der Kunden kaum gefragt. Der Zugriff erfolgt meist über eine eigene GUI des Kunden, die verschiedene Geräte mit I²C oder PMBus über eine gewohnte und einheitliche Oberfläche bedient.

Es zeigt sich aus den Kundenanforderungen, dass hauptsächlich in einer Entwicklungsumgebung die digitale Aussteuerung von Geräten von Interesse ist. In der Serie sollen meistens getroffene Settings eingefroren werden – eine Veränderung ist nicht unerwünscht.

* * Michael Schrutka ... arbeitet als Produktmanager für AC/DC-Netzteile bei Recom Power.

(ID:47755646)