Wie sich die Parallelschaltung von Stromversorgungen auf die Zuverlässigkeit auswirkt

Inhaltsverzeichnis

1. Parallele Stromversorgungen
2. Ausfallraten
3. Berechnung der Ausfallrate eines Systems
4. Beispiel 1
5. Beispiel 2
6. Zusammenfassung

Bei manchen Systemdesigns ist die Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems wichtig. Zwei Topologien zur Erhöhung der Systemzuverlässigkeit sind entweder die Parallelschaltung von Stromversorgungen oder der Betrieb mehrerer Stromversorgungen in einer redundanten Konfiguration. In diesem Artikel besprechen wir die Zuverlässigkeit von parallel betriebenen Stromversorgungen und in einem zweiten Artikel werden wir redundante Stromversorgungssysteme besprechen. Die Zuverlässigkeit eines Stromversorgungssystems kann beeinträchtigt werden, wenn die Ausgänge mehrerer Stromversorgungen parallel geschaltet werden, um die Stromlieferung an eine Systemlast zu erhöhen.

Der Blog Parallel- oder Reihenschaltung von Stromversorgungen für erhöhte Ausgangsleistung bietet eine Einführung in die Konzepte der Verwendung mehrerer Stromversorgungen, um die erforderliche Leistung für ein System bereitzustellen. Wie im Artikel beschrieben, schalten Designer die Ausgänge von Stromversorgungen in der Regel parallel, um die verfügbare Leistung für die Last zu erhöhen. In diesem Artikel werden wir erörtern, wie die Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems durch die Verwendung mehrerer Stromversorgungen beeinträchtigt werden kann.

Parallele Stromversorgungen

Die Parallelschaltung von Stromversorgungen erhöht zwar die verfügbare Ausgangsleistung, kann aber die Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems entweder erhöhen oder verringern. Die Veränderung der Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems durch die Parallelschaltung von Stromversorgungen kann nicht verallgemeinert werden, da sie von der Konstruktion des Systems und den Eigenschaften der einzelnen Stromversorgungen abhängt.

Ausfallraten

Wir werden zunächst erörtern, was wir mit dem Begriff „Ausfallrate“ meinen, und uns dann ansehen, wie dieser Begriff auf Komponenten und dann auf Systeme, die aus Komponenten bestehen, angewendet wird. Eine Ausfallrate ist ein statistischer Wert, der das Auftreten von Ausfällen innerhalb eines bestimmten Zeitraums beschreibt.

Eine gängige Ausfallrate, die bei Zuverlässigkeitsberechnungen für elektronische Produkte verwendet wird, ist Ausfälle pro Zeit (Failure In Time, FIT) und bezeichnet die Anzahl der Ausfälle, die in einer Milliarde (10⁹) Betriebsstunden zu erwarten sind.

Eine Methode zur Berechnung der Ausfallrate (FIT) eines Systems besteht darin, die FIT jeder einzelnen Komponente im System zu berechnen und dann die System-FIT zu ermitteln, wofür die Werte der FIT für jede Komponente im System addiert werden.

Berechnung der Ausfallrate eines Systems

Für ein System, das aus n Komponenten besteht, von denen jede einen FIT von f hat, beträgt die System-FIT n*f. Es sollte beachtet werden, dass ein größerer FIT-Wert ein weniger zuverlässiges System bedeutet, also mehr Ausfälle in einer bestimmten Zeit.

Wendet man die letzte Aussage auf Stromversorgungen an, deren Ausgänge parallel geschaltet sind, lässt sich daraus schließen, dass die Ausfallrate des Systems mit zunehmender Anzahl von Stromversorgungen steigt (die Zuverlässigkeit sinkt). Es gibt einige Methoden, wie der Ausfall einer einzelnen Stromversorgung in einer Reihe von parallel geschalteten Stromversorgungen zu einem Ausfall des Stromversorgungssystems führen kann.

Wenn das System mit n parallel geschalteten Stromversorgungen ausgelegt ist und alle Stromversorgungen notwendig sind, um die von der Last benötigte Leistung zu erbringen, können bei einem Ausfall einer Stromversorgung die anderen nicht die erforderliche Ausgangsleistung erbringen und das Stromversorgungssystem fällt aus.

Eine andere Möglichkeit, wie eine einzelne Stromversorgung den Ausfall mehrerer parallel geschalteter Stromversorgungen verursachen kann, ist der Ausfall einer Stromversorgung mit einem Kurzschluss am Ausgang. Der Kurzschluss am Ausgang führt zu einem Ausfall des Stromversorgungssystems, selbst wenn die übrigen Stromversorgungen die erforderliche Ausgangsleistung hätten liefern können.

Ob der Einsatz mehrerer Stromversorgungen mit parallel geschalteten Ausgängen die Zuverlässigkeit des Systems erhöht oder verringert, hängt von der relativen Zuverlässigkeit der in den verschiedenen Konfigurationen verwendeten Stromversorgungen ab. Wie die beiden Beispiele unten zeigen, sind mehr Informationen erforderlich, bevor die Veränderung der Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems aufgrund mehrerer Stromversorgungen bestimmt werden kann.

Beispiel 1:

Design 1 – Es wird ein System entworfen, bei dem die Gesamtleistung 128 W betragen soll und zwei Netzteile mit einer Ausgangsleistung von 80 W verwendet werden sollen, wobei die Ausgänge der Netzteile parallel geschaltet sind. In der Praxis wird die Laststromaufteilung nicht exakt sein, aber für die Analyse gehen wir davon aus, dass jedes Netzteil 64 W Ausgangsleistung (80 % der Nennausgangsleistung) bei 128 W Systemlastleistung liefert.

Design 2 – Als zweite Alternative könnten vier Netzteile mit einer Ausgangsleistung von 40 W gewählt werden. In diesem Fall würde jedes Netzteil eine Ausgangsleistung von 32 W liefern und wieder mit 80 % der Nennleistung arbeiten. Wenn die 80-W- und das 40-Watt-Netzteile ähnlich konstruiert sind, kann man davon ausgehen, dass die FIT für beide Ausführungen ähnlich ausfällt, sofern sie unter ähnlichen Bedingungen betrieben werden (Prozentsatz der Nennleistung, Umgebungstemperatur, Luftstrom usw.).

Unter diesen Annahmen ist der Stromversorgungsabschnitt des Systems in Design 1 mit zwei parallel geschalteten Stromversorgungen zuverlässiger, nämlich halb die FIT wie das System in Design 2 mit vier parallel geschalteten Stromversorgungen.

• FIT von Design 1: 2-Stromversorgungs-Topologie mit jeder Stromversorgung mit FIT = f; System-FIT = 2*f
• FIT von Design 2: 4-Stromversorgungs-Topologie mit jeder Stromversorgung mit FIT = f; System-FIT = 4*f

Bei den obigen Berechnungen wird davon ausgegangen, dass die Netzteile so gewählt werden, dass die FIT der einzelnen Versorgungen konstant bleibt, wenn die Anzahl der Netzteile im System steigt. Wenn das System eine feste Last hat und dieselben Netzteile verwendet werden, während die Anzahl der Netzteile im System erhöht wird, dann arbeitet jedes Netz mit einem niedrigeren Laststrom, wenn mehr Netzteile hinzugefügt werden.

Bei Designs mit vielen Netzteilen nimmt die FIT ab (die Netzteile sind zuverlässiger), wenn sie mit niedrigeren Ausgangsleistungen betrieben werden. Eine Erhöhung der Anzahl parallel geschalteter Stromversorgungen senkt also den FIT des Systems (und erhöht die Zuverlässigkeit des Systems), wenn die FIT für jede einzelne Versorgung schneller sinkt, als die Summe der FITs steigt.

Beispiel 2:

Design 1 – In diesem zweiten Beispiel wird dieselbe 128-W-Systemlast verwendet und dasselbe anfängliche Design von zwei Netzteilen mit je 80 W Nennleistung bewertet. Die Fit des Stromversorgungssystems (und die Zuverlässigkeit) wird die gleiche sein wie die des ersten Designs im ersten Beispiel.

Design 2 – Wenn Sie sich für ein Design mit vier 80-W-Netzteilen entscheiden, dann liefert jedes Netzteil 32 W und arbeitet somit mit 40 % der Nennleistung.

Dies ist der Punkt, an dem Verallgemeinerungen nicht mehr gelten und Annahmen überprüft werden sollten. Wenn die FIT des Netzteils, das mit 40 % der Maximalleistung betrieben wird, weniger als die Hälfte der FIT bei 80 % der Maximalleistung beträgt, wird die Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems durch die Verwendung von vier Netzteilen anstelle von zwei Netzteilen erhöht.

• FIT von Design 1: 2-Stromversorgungs-Topologie mit jeder Stromversorgung mit FIT = f2; System-FIT = 2*f2
• FIT von Design 2: 4-Stromversorgungs-Topologie mit jeder Stromversorgung mit FIT = f4; System-FIT = 4*f4
• Es sind zusätzliche Informationen erforderlich, um festzustellen, welche Konfiguration eine höhere Zuverlässigkeit aufweist

Zusammenfassung

Es ist eine gängige Praxis, die Ausgänge von Netzteilen parallel zu schalten, um die an die Last abgegebene Leistung zu erhöhen. In vielen dieser Konfigurationen führt der Ausfall einer einzelnen Stromversorgung zum Ausfall des gesamten Stromversorgungsnetzes. Wenn man die Zuverlässigkeit des Stromversorgungsnetzes kennen möchte, muss man die Wirksamkeit des Laststromausgleichs und die Zuverlässigkeit der einzelnen Versorgungen unter den Betriebsbedingungen verstehen.

Kategorien: Grundlagen

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