Wozu ein Netzteil mit Datenbus?
12.11.2021
Die Hersteller von Netzteilen bieten neuerdings Schnittstellen zur Steuerung und Überwachung ihrer Netzteile an. Was die Gründe hierfür sind und welche Perspektiven sich für den Schaltungsentwickler ergeben stellt dieser Beitrag vor.
Stellen wir uns doch Anwendungen für Netzteile vor, bei denen kurzzeitig hohe Leistungen gebraucht werden. Die im Mittel benötigte Leistung ist jedoch signifikant geringer. Solche Anwendungen können 3D-Drucker, Laserschneiden oder ein Roboterarm sein, der schnell bewegt werden muss, danach aber wieder in seiner Position verharrt. Der Entwickler solcher Geräte könnten versucht sein, ein Netzgerät einzusetzen, das dauerhaft die höchste vorkommende Leistungsspitze abdeckt (‚worst case load current‘). Das wäre aber unverhältnismäßig teuer, bezüglich dem Wirkungsgrad nicht optimiert und – in gewisser Weise – sogar gefährlich. Im Fehlerfall wäre die gelieferte Leistung im Verbraucher so groß, dass ein Brand entstehen könnte.
Was liegt also näher, als dass wir ein etwas kleineres Netzteil wählen, das aber kurzzeitig eine hohe Ausgangsleistung liefern kann, aber dennoch den Strom im Dauerfehlerfall begrenzt. Wann es welche Leistung bringen muss, das bestimmt der Verbraucher und der Entwickler muss verbraucherorientiert denken und möchte das Netzteil frei programmieren können. Dazu eignet sich eine digitale Schnittstelle natürlich besser als ein Analogeingang. Das trifft ganz besonders zu, wenn auch noch Überwachungsfunktionen in das Netzteil übertragen werden. Wann fließt welcher Strom? Ist er noch plausibel oder verhält sich der Verbraucher abnormal? Bei entsprechender Intelligenz im Netzteil und einem geeigneten Datenbus kann so eine sehr einfache und sichere Überwachung aller an das Netzteil angeschlossene Ver-braucher erreicht werden. Für all diese Aufgaben hat sich der PMBus® (Power Management Bus) etabliert, der in vielen modernen Netzteilen eingebaut ist.
Was liegt also näher, als dass wir ein etwas kleineres Netzteil wählen, das aber kurzzeitig eine hohe Ausgangsleistung liefern kann, aber dennoch den Strom im Dauerfehlerfall begrenzt. Wann es welche Leistung bringen muss, das bestimmt der Verbraucher und der Entwickler muss verbraucherorientiert denken und möchte das Netzteil frei programmieren können. Dazu eignet sich eine digitale Schnittstelle natürlich besser als ein Analogeingang. Das trifft ganz besonders zu, wenn auch noch Überwachungsfunktionen in das Netzteil übertragen werden. Wann fließt welcher Strom? Ist er noch plausibel oder verhält sich der Verbraucher abnormal? Bei entsprechender Intelligenz im Netzteil und einem geeigneten Datenbus kann so eine sehr einfache und sichere Überwachung aller an das Netzteil angeschlossene Ver-braucher erreicht werden. Für all diese Aufgaben hat sich der PMBus® (Power Management Bus) etabliert, der in vielen modernen Netzteilen eingebaut ist.
Der Power Management Bus (PMBus®) ist ein offener Standard für ein digitales Energiemanagementprotokoll: einfach, robust und erweiterbar. Etwa 40 PMBus-Mitgliedsunternehmen übernehmen, fördern und verbessern diesen Standard.
PMBus Eigenschaften
Mit dem PMBus können die Betriebsparameter eines oder mehrerer Netzteile eingestellt werden. So kann etwa ein Netzteil ganz abgeschaltet werden, wenn es gerade nicht gebraucht wird, oder die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom können dynamisch angepasst werden. Durch eine programmierbare Lüfter-Stromversorgung kann ein ganz normaler Lüfter intelligent gemacht werden: Die Lüfteraktivität und -drehzahl werden automatisch an die Ausgangsleistung angepasst, um akustische Geräusche auf ein Minimum zu reduzieren oder die Lüfterlanglebigkeit zu garantieren. All diese Funktionen lassen sich mit einem Standard PMBus realisieren, was zudem den Vorteil hat, dass er auf dem I2C-Protokoll basiert, einer Schnittstelle, die fast jeder Mikrocontroller besitzt.
Ebenso wichtig wie der Befehlssatz der PM-Steuerung sind die Überwachungsfunktionen. Der PMBus liefert Echtzeit-Statusdaten wie aktuelle Eingangs- und Ausgangsströme, -spannungen und Leistung, die Temperatur kritischer Komponenten und detaillierte Fehlerdiagnosen. Anhand dieser Informationen kann die Anwendung drohende Überlast- oder Übertemperaturbedingungen vorhersagen, bevor sie auftreten. Steigt die Innentemperatur durch 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 ermöglicht nicht nur eine einfache Überwachung und Steuerung, der Bus ist auch direkt mit dem internen Mikrocontroller im Netzteil verbunden, der die digitale Rückkopplungsschleife steuert. Somit können nicht nur die Betriebsparameter eingestellt und überwacht, sondern auch das Einschwingverhalten, die Anstiegsgeschwindigkeiten und die Kompensationsmatrizen modifiziert werden. Dadurch kann der Betrieb des Netzteils an das Lastmuster der Anwendung angepasst oder dynamisch ‚on-the-fly‘ angepasst werden. Kurz gesagt, das Standard-Netzteil wird durch das Hinzufügen einer PMBus-Schnittstelle zu einem custom-Netzteil.
Ebenso wichtig wie der Befehlssatz der PM-Steuerung sind die Überwachungsfunktionen. Der PMBus liefert Echtzeit-Statusdaten wie aktuelle Eingangs- und Ausgangsströme, -spannungen und Leistung, die Temperatur kritischer Komponenten und detaillierte Fehlerdiagnosen. Anhand dieser Informationen kann die Anwendung drohende Überlast- oder Übertemperaturbedingungen vorhersagen, bevor sie auftreten. Steigt die Innentemperatur durch 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 ermöglicht nicht nur eine einfache Überwachung und Steuerung, der Bus ist auch direkt mit dem internen Mikrocontroller im Netzteil verbunden, der die digitale Rückkopplungsschleife steuert. Somit können nicht nur die Betriebsparameter eingestellt und überwacht, sondern auch das Einschwingverhalten, die Anstiegsgeschwindigkeiten und die Kompensationsmatrizen modifiziert werden. Dadurch kann der Betrieb des Netzteils an das Lastmuster der Anwendung angepasst oder dynamisch ‚on-the-fly‘ angepasst werden. Kurz gesagt, das Standard-Netzteil wird durch das Hinzufügen einer PMBus-Schnittstelle zu einem custom-Netzteil.
Der RACM1200-V
Ein Netzteil, das alle bisher erwähnten Eigenschaften hat, ist der RACM1200-V von RECOM. Diese Serie setzt einen neuen Maßstab für Kompaktheit in der Klasse der AC/DC-Netzteile für einen zuverlässigen Lüfter losen Betrieb zur Unterstützung der langfristigen Systemverfügbarkeit. Das über eine spezielle Grundplatte-gekühlte Design unterstützt eine gezielte Lenkung des Wärmestromes aus der Applikation und ermöglicht eine kontinu-ierliche Ausgangsleistung von bis zu 1.000W, mit kurzfristig Ausgangsleistung bis zu 1.200W. Wenn ein optionaler System-Lüfter an den Fan-Ausgang angeschlossen ist, kann das Netzteil dauerhaft 1.200W leisten.
Ein großer Einstellbereich der Ausgangsspannung und eine Kombination aus der konstanten Regelung von Spannung/-Leistung/- und Hiccup-modus Einstellungen machen das Produkt vielseitig einsetzbar – besonders zur Unterstützung einer Eigensicherheit der Applikation. Verschiedene analoge Steuer- und Überwachungs-funktionen sind über den Stecker zugänglich, ebenso die beiden Hilfsausgänge; ein programmierbarer 5V bis 12V-Systemlüfterausgang und ein isolierter, „always-on“, Standby-Ausgang von 5V/1A stehen zur Verfügung, um Housekeeping-Funktionen zu versorgen.
Die RACM1200-V-Serie kann auf inhärent ausfallsichere Einstellungen beschränkt werden – und dies durch intelligente, kontrollierte und fehlerbegrenzende Funktionen in projektabhängigem Firmwaresetting. In der Standardausführung ist ein interner Status durch zwei Signalleitungen und die Indikator-LED auszulesen:
Abb. 2: Auszug aus dem RACM1200-V Datenblatt
Die PMBus Version RACM1200-V/PMB bietet zusätzlich zu analogen Status und Steuerpins eine digitale Schnittstelle über die Kunden, die direkt Anpassungen an dem Netzgerät vornehmen können. RECOM bietet dazu auch ein CLI command line interface zur Programmierung der Schnittstelle. Auf Anfrage wird das Gerät kundenspezifisch mit einer gewünschten Firmware-Einstellung vorprogrammiert.
Beide Versionen erreichen einen Spitzenwirkungsgrad bis zu 95% und zusätzlich erfüllt das Gerät im Standby-Modus Ökodesign-Anforderungen. Die RACM1200-V Serie verfügt über weltweite Sicherheitszulassungen für medizinische (2MOPP, BF), industrielle und ITE-Standards sowie über Prüfungen der elektromagnetischen Verträglichkeit gemäß Klasse A Immunität und Klasse B Emissionen. All diese Eigenschaften machen das Produkt zu einer am einfachsten zu integrierenden modularen Stromversorgungslösungen in der Industrie.
Ein großer Einstellbereich der Ausgangsspannung und eine Kombination aus der konstanten Regelung von Spannung/-Leistung/- und Hiccup-modus Einstellungen machen das Produkt vielseitig einsetzbar – besonders zur Unterstützung einer Eigensicherheit der Applikation. Verschiedene analoge Steuer- und Überwachungs-funktionen sind über den Stecker zugänglich, ebenso die beiden Hilfsausgänge; ein programmierbarer 5V bis 12V-Systemlüfterausgang und ein isolierter, „always-on“, Standby-Ausgang von 5V/1A stehen zur Verfügung, um Housekeeping-Funktionen zu versorgen.
Die RACM1200-V-Serie kann auf inhärent ausfallsichere Einstellungen beschränkt werden – und dies durch intelligente, kontrollierte und fehlerbegrenzende Funktionen in projektabhängigem Firmwaresetting. In der Standardausführung ist ein interner Status durch zwei Signalleitungen und die Indikator-LED auszulesen:
Abb. 2: Auszug aus dem RACM1200-V Datenblatt
Die PMBus Version RACM1200-V/PMB bietet zusätzlich zu analogen Status und Steuerpins eine digitale Schnittstelle über die Kunden, die direkt Anpassungen an dem Netzgerät vornehmen können. RECOM bietet dazu auch ein CLI command line interface zur Programmierung der Schnittstelle. Auf Anfrage wird das Gerät kundenspezifisch mit einer gewünschten Firmware-Einstellung vorprogrammiert.
Beide Versionen erreichen einen Spitzenwirkungsgrad bis zu 95% und zusätzlich erfüllt das Gerät im Standby-Modus Ökodesign-Anforderungen. Die RACM1200-V Serie verfügt über weltweite Sicherheitszulassungen für medizinische (2MOPP, BF), industrielle und ITE-Standards sowie über Prüfungen der elektromagnetischen Verträglichkeit gemäß Klasse A Immunität und Klasse B Emissionen. All diese Eigenschaften machen das Produkt zu einer am einfachsten zu integrierenden modularen Stromversorgungslösungen in der Industrie.
Anwendungen
| Serie | |||||
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| 1 |
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RACM1200-V
Fokus
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