Netzteile mit verbesserter Spitzenleistung

21. April 2020 von Aaron Yarnell

Netzteile mit verbesserter Spitzenleistung

Einer der allgemeinen Charakterisierungsparameter für elektronische Netzteile ist die maximale Leistung, die sie einer Last zuführen können. Die meisten Designer wählen ein Netzteil so, dass die Nennlast im Bereich von 60 % bis 80 % der maximalen Nennleistung des Netzteils liegt. Dies kann auch als maximale Kapazität des Netzteils angesehen werden, die 25 % bis 67 % über der Nennlast liegt. Bei dieser Designentscheidung lässt der Ingenieur zu, dass das System unter Spitzenlastbedingungen arbeitet, die innerhalb des angegebenen Leistungsbereichs des Netzteils liegen. Es gibt jedoch einige Klassen von Stromversorgungslasten, die nicht zu diesem Betriebsmodell passen:

  • Lasten mit periodisch hohen Pegeln, die ansonsten bei extrem niedrigen Leistungspegeln arbeiten.
  • Lasten mit hohem Anlaufleistungsbedarf, die sich dann auf niedrigere Betriebsleistungspegel einstellen.

Designer fragen ihre Lieferanten häufig: „Sind Netzteile mit einer hohen Spitzenleistung verfügbar, mit denen große transiente Lasten angegangen werden können?“ CUI-Netzteile mit Power Boost erfüllen diese Anforderung. Diese Produkte haben ähnliche Ausgangsleistungsspezifikationen wie herkömmliche Netzteile, können jedoch zusätzlich einen Spitzenleistungspegel unterstützen, der doppelt so hoch ist wie der maximale Nennpegel (für eine Dauer von bis zu zehn Sekunden und mit einem maximalen Arbeitszyklus von 10 %). Auf diese Weise können Kunden ein Netzteil basierend auf dem Nennleistungspegel und nicht auf dem Spitzenleistungsbedarf auswählen.

Bei dieser Auswahl kann der Designer ein Netzteil mit einer niedrigeren maximalen Nennleistung verwenden und möglicherweise die Kosten des Systems senken. In diesem Blog-Beitrag besprechen wir Konstantspannungsversorgungen und daher das Konzept, dass der Ausgangsstrom austauschbar mit der Ausgangsleistung verwendet werden kann (der Ausgangsstrom ist proportional zur Ausgangsleistung).

Kurvendiagramm mit Spitzenlast bei 200 % der Nennlast und Scheitelfaktor von 3,2
Abb. 1: Kurvendiagramm mit Spitzenlast bei 200 % der Nennlast und Scheitelfaktor von 3,2 (200 %/62 %)

Strombegrenzung bei herkömmlichen Netzteilkonstruktionen

Die meisten Netzteile sind mit einer Überstromerkennung und -schutzfunktion ausgestattet. Die interne Überstromerkennungsschaltung reagiert innerhalb von Millisekunden, um das Netzteil vor Beschädigung bei übermäßigen Lastströmen zu schützen. Obwohl das Netzteil möglicherweise nicht den Betriebsspezifikationen des Datenblatts entspricht, wenn der Laststrom größer als der angegebene maximale Betriebsstrom ist, muss das Netzteil dennoch so ausgelegt sein, dass der Betrieb während eines Überstromereignisses das Netzteil nicht beschädigt. Wenn die Überstromgrenze nahe am maximalen Betriebsstrom liegt, kann das Netzteil nicht mit viel größerem Ausgangsstrom (und interner Verlustleistung) weiter betrieben werden, bevor der Überstromschutz aktiviert wird. In der Regel wird die Überstromschutzschwelle so nahe wie möglich am maximalen Nennausgangsstrom (häufig 110 % des maximalen Ausgangsstroms) eingestellt, um eine kosteneffiziente Versorgung zu ermöglichen.

Die Stromversorgungskonzept, bei einem Nennausgangsstrom von etwa 62 % des maximal angegebenen Laststroms zu arbeiten und die Überstromschutzschwelle auf 110 % des maximal spezifizierten Laststroms einzustellen, eignet sich gut für Lasten, bei denen das Verhältnis von Spitzenlast zu Durchschnittslast (Scheitelfaktor) etwa 1,8 oder weniger beträgt (110 %/62 %). Bei Lasten mit einem Scheitelfaktor von mehr als 1,8 (größere Spitzenlasten) können die Kosten der Stromversorgung im Verhältnis zur durchschnittlich aufgenommenen Leistung nicht akzeptabel sein, da die Stromversorgung bei einer Nennlast betrieben wird, die erheblich unter der maximalen Nennlast liegt. In Systemen mit Lasten mit Scheitelfaktoren größer als 1,8 ist es aus Kosten- und Größengründen vorteilhaft, ein Netzteil mit einer hohen Überstromtoleranz einzusetzen.

Beispiele für Lasten mit hohem Scheitelfaktor

Es gibt viele Arten von Stromversorgungslasten, die für kurze Zeit eine große Menge Strom verbrauchen und sich dann in einen Modus mit niedrigerer Leistung versetzen, so dass der Scheitelfaktor 3:1 oder mehr betragen kann. Einige Beispiele für Produkte und Anwendungen mit solchen Eigenschaften umfassen:

  • Thermodrucker mit Heizelementen, die zunächst übersteuert werden, um schnell die richtige Betriebstemperatur zu erreichen.
  • Elektromotoren beim Start, wenn die Stromaufnahme aufgrund fehlender Gegen-EMK hoch ist.
  • Große Filterkondensatoren, die beim ersten Laden einen hohen Strom ziehen.
  • Testmodule, die möglicherweise einen periodischen und kurzzeitigen Test mit hohem Stromverbrauch während des Testereignisses durchführen und zwischen den Testereignissen einen geringen Stromverbrauch aufweisen.

Abbildung von Beispielen für Lastanwendungen mit hohem Scheitelfaktor
Abb. 2: Beispiele für Anwendungen mit hohem Scheitelfaktor

Netzteilkomponenten, die für die Stromversorgung mit hohem Scheitelfaktor von entscheidender Bedeutung sind

Es gibt einige Bereiche des Netzteils, die behandelt werden müssen, um ein kostengünstiges Design zu erstellen, das Lasten mit hohen Leistungsscheitelfaktoren unterstützt. Bei den meisten AC/DC-Netzteilen fließt der Eingangsstrom zuerst durch eine Sicherung und einen EMI-Filter und dann durch einen Brückengleichrichter. Dort lädt der Eingangsstrom einen Stützkondensator auf (Abbildung 3). Der Stützkondensator stellt sicher, dass die gleichgerichtete Spannung, die den Rest der Versorgung speist, über einem Mindestniveau gehalten wird, damit die Stromversorgungskreise ordnungsgemäß funktionieren können. Dieser Kondensator muss ausreichend groß sein, um den maximal angegebenen Laststrom bei der minimal angegebenen Eingangsspannung zu unterstützen. Im Falle einer CUI Power Boost-Versorgung werden die Verbindungen des Stützkondensators dem Benutzer zugänglich gemacht, so dass zusätzliche Stützkapazität hinzugefügt werden kann, wenn dies für die Anwendung erforderlich ist.

Diagramm der Netzteileingangsstufe mit Stützkondensator
Abb. 3: Netzteileingangsstufe mit Stützkondensator

Eine zweite Komponente in AC/DC-Netzteilen mit spezifischen Anforderungen für eine Power Boost-Anwendung ist der Isolationstransformator bzw. der gekoppelte Induktor (Abbildung 4). Dieses magnetische Element muss so ausgelegt sein, dass es während der Abgabe des Spitzenlaststroms nicht gesättigt wird. Von zusätzlicher Bedeutung ist, dass die Wärmeableitungskapazität dieses Elements groß genug sein muss, um die hohen Anforderungen an die Spitzenlast zu bewältigen.

Abbildung eines Trenntransformators oder eines gekoppelten Induktors
Abb. 4: Isoliertransformator oder gekoppelter Induktor

Der primäre Seitenschalter ist ein drittes Element einer Power Boost-Versorgung, das mit bestimmten Eigenschaften ausgewählt werden muss, um während der großen Spitzenlastströme ordnungsgemäß zu funktionieren (Abbildung 5). Im Fall des Schalters ist das Hauptanliegen die Verlustleistung während des anhaltenden Spitzenlaststroms. Eine mögliche Lösung, um dieses Problem anzugehen, besteht darin, dem Schalterpaket thermische Masse hinzuzufügen, um die während der Spitzenlastperiode erzeugte übermäßige Wärme zu absorbieren. Die thermische Masse kann entweder als intrinsisches Merkmal des Gehäuses oder als externer Wärmeableiter, der an dem Schaltergehäuse angebracht ist, implementiert werden.

Abbildung des primären Seitenschalters
Abb. 5: Primärer Seitenschalter

Fazit

Während die meisten Lasten für elektronische Stromversorgungen Spitzenleistungsanforderungen haben, die relativ nahe an den Nennleistungspegeln liegen, gibt es viele Anwendungen, die einen Spitzenleistungspegel erfordern, der wesentlich größer als der Nennleistungspegel ist. Für Anwendungen, bei denen große Lastspitzen von kurzer Dauer auftreten und die geringe Arbeitszyklen aufweisen, sind Power Boost-Modelle von CUI eine großartige Lösung. Diese Stromversorgungsklasse liefert die erforderliche Spitzenleistung in einer kleineren, leichteren und kostengünstigeren Lösung, als dies mit herkömmlichen Stromversorgungen möglich wäre.

Zusätzliche Ressourcen


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Aaron Yarnell

Aaron Yarnell

Senior Product Manager (Produktleiter)

Aaron Yarnell besitzt nahezu 15 Jahre Erfahrung in der Elektronikindustrie, die eine breite Palette an Produkttechnologien umfasst, mit Kompetenzen in Produktdesign und -entwicklung bis hin zur Unterstützung für Feldanwendungen, Fertigung, technische Dokumentation und vieles mehr. Mit seinem MBA-Abschluss verfügt Aaron auch über ein tieferes Verständnis der Geschäftsaspekte, die mit jeder seiner Aufgaben verbunden sind. Zusätzlich zu seinen professionellen Auszeichnungen, genießt Aaron den Besuch der Oregon-Küste, verbringt Zeit mit seiner Familie und Freunden, verfolgt große Träume und arbeitet an Projekten, die Spaß machen.

 
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