Was sind die Nachteile, wenn der Ausgangsstrom eines Netzteils überschritten wird?

Willkommen bei Teil 2 unserer Serie „Die Grenzen ausreizen“. Hier beschäftigen wir uns mit einer Frage, die wir bei CUI oft zu hören bekommen: „Was passiert, wenn ich mein Netzteil außerhalb eines bestimmten Spezifikationsbereichs betreibe?“ In Teil 1 ging es um die Eingangsspannungsspezifikation. In Teil 2 werden wir uns nun mit dem Ausgangsstrom und den Problemen befassen, die auftreten können, wenn die Ausgangsstromspezifikation überschritten wird.

Lesen Sie Teil 1 unserer Serie „Die Grenzen ausreizen“ über Eingangsspannungen
Lesen Sie Teil 3 unserer Serie „Die Grenzen ausreizen“ über die Betriebstemperatur

Ausgangsstromgrenzen

Der Nennausgangsstrom ist eine der wichtigsten Spezifikationen bei der Auswahl eines Netzteils. Er spielt eine große Rolle bei der Bestimmung der Größe und bei den Kosten des Geräts. Dies führt dazu, dass Entwickler Stromversorgungen auswählen, die über gerade genug Strom verfügen, um ihre Anforderungen zu erfüllen. In diesen Fällen ist es für einen Designer verführerisch, ein Netzteil zu wählen, das dem „normalen“ Betriebsstrom entspricht, um Kosten und Größe zu sparen. Gleichzeitig geht er davon aus, dass es die Spitzenströme für kurze Zeit verarbeiten kann. Die gleiche Denkweise gilt auch für die Mindeststromgrenze. Das Überschreiten der maximalen bzw. minimalen Stromspezifikation kann jedoch zu mehreren Problemen führen, darunter Leistungsabfall, geschütztes Herunterfahren oder sogar Bauteilausfall.

Überschreiten der Ausgangsstromgrenzen – Leistungsprobleme

Effizienz, Regelung und elektromagnetische Emissionen (EMI) sind einige der wichtigsten Spezifikationen, die betroffen sind, wenn ein Netzteil außerhalb seines Nennausgangsstroms betrieben wird.

Mit steigendem Ausgangsstrom steigt auch die Ausgangsleistung. Würde der Wirkungsgrad über die Last festgelegt, dann würde der zusätzliche Strom innerhalb der Versorgung zu einer linearen Erhöhung der Verlustleistung führen. Diese zusätzliche Verlustleistung verursacht einen Anstieg der Bauteiletemperatur, der zu einem Wärmeausfall führen kann. In der Praxis ist es unwahrscheinlich, dass der Wirkungsgrad konstant bleibt. Wie im nachstehenden Diagramm dargestellt, erreicht ein Netzteil den Spitzenwirkungsgrad normalerweise vor der Maximallast, also sinkt der Wirkungsgrad vor dem Erreichen des Nennstroms ab. Dies führt zu einer exponentiellen Erhöhung der Verlustleistung in Bezug auf Laststeigerungen. Hierdurch fällt die Maximaltemperatur viel schneller ab, als dies bei einem konstanten Wirkungsgrad der Fall wäre. Neben den thermischen Bedenken kann der abfallende Wirkungsgrad dazu führen, dass die Stromversorgung und/oder das System die Effizienzvorgaben nicht erfüllen. Wie das Diagramm zeigt: Wenn das Netzteil 20 % über der Nennlast von 200 W betrieben wird, fällt der Wirkungsgrad um einen vollen Prozentpunkt unter seine 91 %-Spezifikation. Dies führt zu einer um 30 % erhöhten Verlustleistung.

Beim Betrieb außerhalb des Nennausgangsstroms ist die Lastregelung eine weitere problematische Spezifikation. Die Lastregelung teilt dem Benutzer den maximalen Betrag mit, um den sich die Ausgangsspannung ändern darf, wenn sich die Last zwischen Leerlauf und Volllast ändert. Das folgende Diagramm zeigt ein Beispiel für die Lastregelung eines 200-W-AC/DC-Netzteils. Dieses spezielle Netzteil verfügt über eine Ausgangsspannung, die mit zunehmendem Strom abfällt. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, da bei einigen Netzteilen die Ausgangsspannung mit der Last ansteigt. In jedem Fall kann der Betrieb außerhalb des angegebenen Strombereichs dazu führen, dass sich die Ausgangsspannung außerhalb der Lastregelungsspezifikation bewegt, was zu Problemen bei Anwendungen führen kann, die keine Spannungen außerhalb dieses Bereichs akzeptieren.

Bei Anwendungen mit engen Eingangsbereichen werden häufig externe Anschlüsse mit Spannungsfühlern verwendet, die die Ausgangsspannung an der Last und nicht am Ausgang der Stromversorgung regeln. Dank der externen Fühler wird ein Abfall der Ausgangsspannung, der normalerweise zwischen der Spannungsversorgung und der Last auftreten würde, durch Erhöhen der Ausgangsspannung der Spannungsversorgung ausgeglichen. Daher gibt es oft eine Spezifikation für die maximale Spannung, die ausgeglichen werden kann, um eine Beschädigung der Stromversorgung durch eine erhöhte Spannung zu vermeiden.

Bei Stromversorgungen mit einer Mindeststromstärke kann der Betrieb unterhalb dieses Grenzwerts dazu führen, dass das Gerät außerhalb der vorgeschriebenen Spezifikation arbeitet. Bei diesen Stromversorgungen handelt es sich oft um kleine, kostengünstigere Einheiten mit einfachen Steuerungskonzepten, die nicht für die Probleme gedacht sind, die bei geringen Lasten auftreten. In mehreren Ausgangsstromversorgungen kann auch ein Mindeststrom angegeben werden, der zur Regelung der sekundären Ausgänge innerhalb ihrer festgelegten Grenzen erforderlich ist.

Ein letztes, weniger offensichtliches Problem im Zusammenhang mit dem Ausgangsstrom ist die Erhöhung der elektromagnetischen Störausstrahlung. Schaltnetzteile sind störfeldbehaftete Geräte und auf der Platine ist viel Platz für Filterbauteile vorgesehen, um sie bei der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften zu unterstützen. Normalerweise reicht es gerade aus, um die erforderlichen Prüfungen zu bestehen. Auch beim Betrieb innerhalb des angegebenen Lastbereichs treten Probleme auf, wenn bestimmte Lasten verwendet werden. Im Allgemeinen wird erwartet, dass die Stärke der elektromagnetischen Störausstrahlung mit der Last steigt. Ein Betrieb über der maximalen Last kann die elektromagnetische Störausstrahlung über die Ausfallschwelle verschieben. Dies wird weiter verstärkt, wenn die Effektivität des Filters bei höheren Lasten nachlässt. Erhöhte Ströme und/oder Temperaturen in diesen Bauteilen können ebenfalls deren Werte und die Reaktion des Filters ändern.

Überschreiten der Ausgangsstromgrenzen – geschützte Abschaltung

Die oben beschriebenen spezifikationsbezogenen Probleme setzen alle voraus, dass die Stromversorgung es dem Benutzer erlauben wird, über dem maximalen Ausgangsstrom zu arbeiten. Die meisten Netzteile sind jedoch mit einem Überstromschutz ausgestattet, der verhindert, dass die Last eine bestimmte Stromschwelle überschreitet.

Einige Netzteile verfügen über einen genau definierten Grenzwert, der näher an der Nennleistung liegt. Und bei seiner Überschreitung tritt der Überstromschutz in Kraft. Benutzer, die versuchen, ihre Stromversorgung für den Nennstrom zu dimensionieren, und zulassen, dass der Spitzenstrombedarf über dem Nennstrom liegt, kommen möglicherweise in die Situation, dass der Ausgang aufgrund dieses Schutzes abgeschaltet wird.

Andere Schutzarten weisen größere Toleranzen auf. Bei ihnen kann die Last die maximale Nennleistung deutlich überschreiten. Schwellenwertunterschiede zwischen einzelnen Stromversorgungen können zu Problemen führen, wenn der Schutz in einigen Stromversorgungen aktiviert ist, in anderen jedoch nicht. Wenn der Ausgang nicht abgeschaltet wird, arbeitet die Versorgung über ihrem maximalen Stromwert, was zu spezifikationsbezogenen Problemen oder Ausfällen führt.

Außerdem bieten komplexere Netzteile Schutz gegen Strom, der unter den Mindestwert abfällt, während andere den Betrieb unter diesen Bedingungen vollständig unterbinden. Stromversorgungen, die sich bei geringen Lasten nicht zuverlässig regeln können, führen am Ausgang zu einer zu hohen Spannung, die ebenfalls einen Schutz auslösen kann.

Überschreiten der Ausgangsstromgrenzen – Bauteilversagen

Während die vorherigen Probleme nicht immer zu einem Ausfall oder einer Beschädigung der Netzteilbauteile führen, erfahren viele Bauteile aufgrund des erhöhten Laststroms eine zusätzliche Spannungs- und/oder Strombelastung, wodurch sie einem höheren Risiko ausgesetzt sind.

Wegen des erhöhten Ausgangsstroms kommt es bei den Bauteilströmen im gesamten Aggregat zu einem ähnlichen Anstieg. Bauteile wie MOSFETs, Dioden, Widerstände und sogar Kupferleiterbahnen werden aufgrund des erhöhten Stroms eine erhöhte Verlustleistung und Wärme erfahren. Bei Dioden und anderen Bauteilen mit einer festen Spannung wird die Verlustleistung linear zunehmen, während es bei MOSFETs und Bauteilen mit Widerstandselementen einen exponentiellen Anstieg der Verlustleistung in Bezug auf die Lastzunahme geben wird. In beiden Fällen führt dies zu einem erhöhten Temperaturanstieg, verminderter Zuverlässigkeit und einem erhöhten Ausfallrisiko.

Bei magnetischen Bauteilen wie Spulen und Transformatoren gibt es zwar erhöhte Leitungsverluste wie bei den vorherigen Bauteilen. Es kann jedoch auch erhöhte Kernverluste und eine Sättigung geben, was zu weiteren Verlusten und Wärmeerzeugung führt. Gesättigte Magnete könnten auch dazu führen, dass die Stromversorgung nicht mehr funktioniert oder dass erhöhte Ströme in anderen Bauteilen wie den MOSFETs und Dioden erzeugt werden. In einem Abwärtswandler hängt der Rippelstrom beispielsweise direkt von der Induktivität ab. Sobald die Induktivität zu sinken beginnt, steigen die Spitzenströme im MOSFET und in der Diode.

Neben diskreten magnetischen Bauteilen gibt es auch parasitäre Induktivitäten wie die Streuinduktivität des Transformators. Diese parasitären Bauteile verursachen Spannungsspitzen, wenn der Schalter den Zustand ändert, und die Größe dieser Spitze nimmt mit der Last zu. Im Falle einer Leckinduktanz des Transformators liegt die Spannungsspitze am MOSFET an und kann dazu führen, dass er ausfällt, wenn sie zu groß ist. Andere Bauteile, z. B. solche, die Spannungen und Ströme erfassen, erfassen diese Spannungsspitzen, was dazu führt, dass der Controller falsche Spannungs- und Strominformationen erhält. Dies führt wiederum zu einer schlechten Leistung oder einem Ausfall.

Fazit

Leistung, Größe und Kosten sind alle wichtige Faktoren bei der Auswahl einer Stromversorgung. Leider beeinträchtigt das Verbessern eines dieser Faktoren oftmals die anderen und mehr Leistung bedeutet normalerweise eine größere und/oder teurere Stromversorgung. Trotzdem versuchen Benutzer häufig, alle drei Faktoren zu erzwingen, und setzen sich damit möglichen Problemen aus. Der Ausgangsstrom ist ein solcher Bereich, der fast jedes Bauteil im Netzteil beeinflusst. Einige Auswirkungen sind offensichtlich, während andere leicht übersehen werden und unmittelbare oder langfristige Probleme verursachen. Vor dem Betrieb außerhalb des Ausgangsnennstroms einer Stromversorgung sollte der Benutzer den Hersteller der Stromversorgung zurate ziehen, um die Risiken zu verstehen oder nach einer alternativen Lösung zu suchen.

Kategorien: Prüfung und Fehleranalyse

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