Verständnis der Leistungsreduzierungskurven für Netzteile
5. November 2019 von Ron Stull – Lesezeit: 6 Minuten
Zuletzt aktualisiert 16. Januar 2024
Inhaltsverzeichnis
- Was bedeutet die Leistungsreduzierung für ein Netzteil?
- Eine Besprechung der Leistungsreduzierung
- Lesen von Diagrammen zur thermischen Leistungsreduzierung
- So werden mehrere Eingangsbereichskurven verglichen
- Befolgen Sie die Richtlinien des Datenblatts
- Das könnte Ihnen auch gefallen
Was bedeutet die Leistungsreduzierung für ein Netzteil?
Von einer Leistungsreduzierung spricht man, wenn ein System oder eine Komponente unterhalb der normalen Betriebsgrenze betrieben wird. Bei Netzteilen wird der Ausgangsstrom (und damit die Leistung) oft für bestimmte Eingangsspannungen und thermische Bedingungen herabgesetzt, um den sicheren und zuverlässigen Betrieb des Netzteils zu gewährleisten.
Die Temperatur beeinflusst alle Komponenten. Dadurch kann sich ihr Verhalten ändern und bei ausreichend hohen Temperaturen können sie versagen. Niedrige Eingangsspannungen können auch zu einer übermäßigen Belastung eines Netzteils führen, da der Eingangsstrom dadurch ansteigt. Um unerwünschtes Verhalten und mögliche Ausfälle zu vermeiden, sind den Komponenten und Systemen thermische Grenzen gesetzt.
Wenn es um Stromversorgungen geht, werden häufig Leistungsreduzierungskurven bereitgestellt, die den Benutzer über die thermischen Bedingungen informieren, unter denen er unter bestimmten Eingangs-, Ausgangs- und Umgebungsbedingungen sicher arbeiten kann. Das Verständnis dieser Kurven hilft dem Benutzer, die richtige Stromversorgung auszuwählen und einen zuverlässigen Betrieb in seiner Anwendung sicherzustellen. In diesem Artikel erfahren Sie, was die Leistungsreduzierung ist, warum sie manchmal notwendig ist und wie Sie Leistungsreduzierungskurven in Datenblättern verstehen.
Eine Besprechung der Leistungsreduzierung
Stromversorgungen weisen viele Komponenten auf, die einer erheblichen thermischen Belastung ausgesetzt sind. Die hohen Strom- und Betriebsfrequenzen führen dazu, dass die Temperatur mehrerer Bauteile deutlich über die Umgebungstemperatur ansteigt und sich ihren thermischen Grenzen nähert. Der Betrag, um den die Temperatur einer Komponente über die Umgebungstemperatur (TUmgebung) ansteigt (TAnstieg), hängt von zwei Variablen ab (wie in Gleichung 1 gezeigt): der Verlustleistung (Pd, gemessen in Watt) und der thermischen Impedanz gegenüber der Umgebungstemperatur (Rθ, gemessen in °C pro Watt).
Die tatsächliche Komponententemperatur (TKomponente) kann dann durch das Addieren des Temperaturanstiegs mit der Umgebungstemperatur berechnet werden, wie in Gleichung 2 gezeigt.
Daraus folgt, dass jede Änderung der thermischen Impedanz oder der Verlustleistung eine proportionale Änderung der Temperatur einer Komponente verursacht (Gleichung 3).
Wenn beispielsweise ein Brückengleichrichter (mit einer thermischen Impedanz von der Sperrschicht zur Umgebung von 150 °C/W) 0,5 W Leistung verbraucht und bei 50 °C Umgebungstemperatur arbeitet, würden wir eine Komponententemperatur von 125 °C erwarten (Gleichung 3).
TKomponente = 75 °C + 50 °C = 125 °C
Wenn nun die Umgebungstemperatur unter Beibehaltung der Komponententemperatur auf 70 °C erhöht werden soll, muss entweder die thermische Impedanz oder die Verlustleistung verringert werden. Für den Benutzer einer Stromversorgung gibt es einige Möglichkeiten, wie diese beiden Variablen gesteuert werden können, um dies zu erreichen.
Die Verlustleistung kann durch Belasten gesteuert werden. Durch Erhöhen der Last wird die Verlustleistung vieler Komponenten in der Stromversorgung erhöht, und durch Verringern der Last wird die Verlustleistung vieler Komponenten verringert. Durch Erhöhen der Eingangsspannung kann auch die Leistung verringert werden, die von einigen Komponenten auf der Eingangsseite einer Stromversorgung verbraucht wird.
Die thermische Impedanz kann durch Zwangsluftkühlung der Stromversorgung gesteuert werden. Durch Erhöhen der Durchflussrate wird die thermische Impedanz verringert.
Lesen von Diagrammen zur thermischen Leistungsreduzierung
Aufgrund der Komplexität bei der Berechnung von Verlustleistungen, thermischen Impedanzen und Sperrschichttemperaturen in der gesamten Stromversorgung vereinfachen Hersteller das Problem häufig, indem sie den Benutzern Leistungsreduzierungsdiagramme bereitstellen. Diese Diagramme werden durch Tests erstellt und sollen dem Benutzer zeigen, wie heiß die Betriebsumgebung sein kann, während alle Komponenten innerhalb ihrer thermischen Grenzen gehalten werden. Trotz dieser Vereinfachung gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie das Diagramm dargestellt werden kann, und verschiedene Informationen, die von Stromversorgung zu Stromversorgung eingefügt werden können.
Das am häufigsten verwendete Diagramm zeigt die zulässige Last im Verhältnis zur Umgebungstemperatur an. In Abbildung 1 ist die Leistungsreduzierungskurve der Stromversorgung der Serie VGS-250B dargestellt, wenn sie ohne Zwangsluftkühlung betrieben wird, was normalerweise als „natürliche Konvektion“ bezeichnet wird. Dies weist den Benutzer darauf hin, dass die Stromversorgung bei Volllast bis zu einer Umgebungstemperatur von 50 °C betrieben werden kann, ohne das Risiko eines thermischen Ausfalls der internen Komponenten oder einer Abschaltung aufgrund eines möglichen thermischen Schutzes einzugehen.
Bei Umgebungstemperaturen über 50 °C besteht die Gefahr eines thermischen Ausfalls der Stromversorgung, sofern die Last nicht auf einen Punkt an oder unter der Leistungsreduzierungskurve abgesenkt wird. Wenn die Umgebungstemperatur beispielsweise 60 °C beträgt, muss die Last auf 80 % der Nennleistung oder weniger gesenkt werden, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. In vielen Fällen, wie in diesem Fall, reicht der Vorteil der Lastreduzierung nur so weit, dass Sie schließlich an eine harte Grenze gelangen, ab der die Stromversorgung bei keiner Last betrieben werden sollte (70 °C im Fall von Abbildung 1).
In einigen Fällen werden mehrere Kurven bereitgestellt, die unterschiedlichen Mengen an Druckluft entsprechen. Abbildung 2 zeigt die Leistungsreduzierungskurve der DC/DC-Wandler der Serie VHK100W. In diesem Fall hängt die Temperatur, bei der er unter Volllast arbeiten kann, davon ab, wie viel Zwangsluft angewendet wird. Ohne Zwangsluft (natürliche Konvektion) beträgt die maximale Temperatur, bei der das Gerät voll beladen werden kann, 50 °C. Wenn jedoch Zwangsluft mit 3,5 m/s angewendet würde, könnte die volle Last bis zu einer Umgebungstemperatur von 78 °C erreicht werden. In diesen Fällen sollte sorgfältig auf die Einheiten geachtet werden, die zur Beschreibung der Menge der Zwangsluft verwendet werden. Das Diagramm der Abbildung 2 gibt zwei verschiedene Einheiten an: LFM und m/s. Doch oft wird nur eine geliefert und von Stromversorgung zu Stromversorgung können verschiedene Einheiten verwendet werden.
So werden mehrere Eingangsbereichskurven verglichen
Manchmal hängen die thermischen Grenzen von der angelegten Eingangsspannung ab. In diesen Fällen sehen Sie mehrere Kurven, die unterschiedlichen Eingabebereichen entsprechen. Abbildung 3 zeigt die Leistungsreduzierungskurve der Serie VMS-300A bei natürlicher Konvektion. Bei solchen Geräten kann die maximale Belastung nur bei höheren Eingangsspannungen erreicht werden, bevor die thermische Leistungsreduzierung berücksichtigt wird. Wenn dieses Netzteil mit natürlicher Konvektion zwischen 90 VAC und 200 VAC betrieben wird, muss die Eingangsleistung auf maximal 200 W reduziert werden. Beim Betrieb zwischen 220 VAC und 264 VAC kann eine Leistung von 250 W genutzt werden.
Die obige Leistungsreduzierungskurve (Abbildung 3) berücksichtigt keine Umgebungstemperatur oder Anwendung von Zwangsluft. In solchen Fällen werden zusätzliche Leistungsreduzierungskurven geliefert, um zu zeigen, wie viel Leistungsreduzierung in Bezug auf Temperatur und/oder Zwangsluftkühlung zusätzlich zu der bereits in Bezug auf die Eingangsspannung angewendeten Leistungsreduzierung erforderlich ist. Im Fall der Serie VMS-300A erhält der Benutzer die zusätzlichen Kurven der Abbildung 4. Die linke Kurve zeigt die Beziehung zwischen Last und Umgebungstemperatur für die natürliche Konvektion für die beiden Spannungsbereiche aus Abbildung 3 und die rechte Kurve in Abbildung 4 zeigt dieselben Informationen, wenn 10 CFM Zwangsluft angewendet werden. Bei dieser Stromversorgung kann der Benutzer durch die Anwendung von Zwangsluft unabhängig von der Eingangsspannung mit den vollen 300 W arbeiten.
Befolgen Sie die Richtlinien des Datenblatts
Es gibt viele Bedingungen, die sich auf die maximale Betriebstemperatur einer Stromversorgung auswirken. Um dem Benutzer die Arbeit zu vereinfachen, liefern die Hersteller häufig eine oder mehrere Leistungsreduzierungskurven, um den Kunden über die Beziehung zwischen bestimmten Bedingungen wie Last, Zwangsluftmenge und angelegter Eingangsspannung zu informieren. Das Verstehen und Befolgen dieser Informationen gewährleistet den sicheren und zuverlässigen Betrieb eines Netzteils.
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Ron Stull
Seit Ron Stull 2009 zu CUI kam, hat er eine Reihe von Kenntnissen und Erfahrungen in den Bereichen der analogen und digitalen Stromversorgung sowie der AC/DC- und DC/DC-Energieumwandlung gesammelt. Er spielt eine Schlüsselrolle im Engineering-Team von CUI, mit Verantwortlichkeiten wie Anwendungsunterstützung, Test und Validierung sowie Design. Außerhalb der Energietechnik spielt Ron Gitarre, joggt und unternimmt mit seiner Frau Ausflüge in die Natur. Sie haben vor, alle US-Nationalparks zu besuchen.