Verbesserte Leistungsmodule erhöhen die Systemzuverlässigkeit

Stromversorgungslösungen wirken sich in vielerlei Hinsicht auf die Systemzuverlässigkeit aus, einige offensichtlicher als andere. Zunächst einmal muss ein System in der Regel gestartet werden, um als funktionsfähig zu gelten. Da keine elektronischen oder elektrischen Systeme ohne Strom funktionieren, ist die Fähigkeit, eingeschaltet zu werden, der wichtigste Maßstab für die Zuverlässigkeit und sicherlich das, woran viele in diesem Zusammenhang zuerst denken. Die Leistung eines Systems hängt nicht nur davon ab, ob es eingeschaltet werden kann, sondern auch von der Qualität der Stromversorgung. Mit anderen Worten, es müssen viele Merkmale und Spezifikationen für jede Spannungsschiene des Systems erfüllt sein, damit sie als qualitativ hochwertig angesehen werden kann, um die Anforderungen der Last so zu erfüllen, dass gewährleistet ist, dass die Qualität der Stromversorgung die Leistung der Last nicht beeinträchtigt. Die Stromqualität kann damit in Verbindung gebracht werden, wie gut die Spannung reguliert wird (bei Schwankungen der Eingangsspannung oder der Ausgangslast), welche Art von Transienten oder Lastsprüngen verkraftet werden können, ohne dass die Stromversorgung instabil wird oder die zulässigen Grenzen überschreitet, wie schnell oder gleichmäßig die Ausgangsspannung ansteigt und welche Sicherheitsvorschriften/Normen erfüllt werden müssen, um die für den legalen Versand des Produkts erforderlichen Berichte/Zertifizierungen zu erhalten.

Wie bereits angedeutet kann die Regulierung der Stromversorgung sowohl für den Eingang als auch für den Ausgang gelten. Selbst wenn die Arbeit auf der Ausgangsseite zufriedenstellend ausgeführt wird, kann das am Eingang reflektierte Rauschen andere Geräte beeinflussen, die dieselbe Leitung oder denselben Bus nutzen. Wenn diese gegenseitige Beeinflussung auf viele Geräte und Systeme verteilt ist, können die Auswirkungen sogar die Zuverlässigkeit oder Stabilität des Versorgungsunternehmens beeinträchtigen. Die Anforderungen an die Leistungsfaktorkorrektur (PFC) in AC/DC-Stromversorgungen oder an die maximalen THD-Werte (Total Harmonic Distortion) zielen auf dieses Phänomen ab, obwohl sie nichts mit der Leistung des Endsystems zu tun haben.

Da in einem elektrischen System nichts ohne Strom funktioniert, verbinden viele elektromechanische Komponenten die Stromversorgungen physisch mit ihren Lasten, die zu häufigen Fehlerquellen und damit zu Engpässen bei der Optimierung der Systemzuverlässigkeit werden. Steckverbinder, Kabelbäume, Drähte und Lötstellen sind oft die ersten Schuldigen, die bei einer Fehleranalyse von Stromversorgungslösungen untersucht werden sollten. Dinge, die sich physisch bewegen, wie Schalter und Lüfter, fallen ebenfalls in diese Kategorie.

Filterkomponenten sind die nächsten großen Posten auf der Liste der Bedenken in der Stromstückliste, nämlich die Energiespeicher wie Kondensatoren, Transformatoren und Induktivitäten. Die Zuverlässigkeit eines Kondensators hängt in der Regel vom Elektrolytmaterial ab, bei dem es sich häufig um eine Flüssigkeit handelt, die im Laufe der Zeit in Abhängigkeit von der Temperatur und der elektrischen Belastung (d.h. der Restwelligkeit) verdampfen oder sogar ausgasen kann. Magnetische Komponenten können komplexe und/oder von Hand zusammengesetzte Strukturen sein, die zusätzlich zu den Schwachstellen im Zusammenhang mit Temperatur und elektrischer Belastung (z.B. Kernsättigung) auch Schwachstellen in der Zuverlässigkeit aufweisen.

Die Überprüfung all dieser Punkte, die die Mehrzahl der Schwerpunktbereiche an der Schnittstelle von Stromversorgungen und Systemen umfassen, ist auch ein guter Anfang, um die damit verbundenen Risiken zu mindern. Abgesehen von der Auflistung dieser Punkte gibt diese Übung auch einige gute Hinweise darauf, worauf man sich bei der Entwicklung und Qualifizierung im ständigen Streben nach einer verbesserten Systemzuverlässigkeit konzentrieren sollte. Die Systemzuverlässigkeit kann auf viele verschiedene Arten charakterisiert werden, die in der Regel auf einem statistischen Algorithmus zur Vorhersage der Lebensdauer bzw. des Ausfalls basieren, der sich aus der Betrachtung der Ausfallstatistiken für die oben zusammengefassten Zuverlässigkeitsengpässe ergibt (siehe „mittlere Zeit zwischen Ausfällen“ oder MTBF/“mittlere Zeit bis zum Ausfall“ oder MTTF) [1].

In Anbetracht all der Überlegungen, die in eine typische Stromversorgung einfließen müssen, erscheint es fast wie ein Wunder, dass solch robuste Subsysteme mit kundenspezifischen Stücklisten mit hoher Stückzahl, zahlreichen elektromechanischen Komponenten und hoher Leistungsdichte sicher und wiederholt in hohen Stückzahlen gebaut werden können und dennoch die höchsten Fertigungserträge erzielt werden. Selbst relativ einfach aussehende Energielösungen sind das Ergebnis jahrelanger mühsamer Bemühungen, aus Fehlern zu lernen und den Prozess zu optimieren - von der Beschaffung der Rohstoffe bis hin zur Entsorgung/Recycling am Ende der Lebensdauer (EOL).

In der Entwurfsphase beziehen sich die meisten erfahrenen Konstrukteure von Stromversorgungssystemen auf eine Art von Derating-Richtlinien. Dabei handelt es sich um Dokumente mit Empfehlungen, wie viel Spielraum für die Nutzung einer bestimmten Komponente oder die Konstruktion eines Systems verwendet werden sollte. Mit anderen Worten: Wie viel weniger als 100 % der maximalen Spezifikation eines Elements für eine bestimmte Leistungskennzahl (FOM) sollte für die Berechnung der maximalen Belastungen und der erwarteten Leistung verwendet werden? Dies kann für alle FOMs gelten, von der Spannung/Stromstärke einer Komponente bis hin zu einer externen Betriebstemperatur oder physikalischen Attributen wie mechanischen Spannungen. Oft werden sichere Betriebsgrenzen durch eine Mischung von FOMs bestimmt, wie z.B. der Betrieb eines Halbleiters bis zu einer maximalen Sperrschichttemperatur, die sich direkt auf einen Kanalstrom beziehen kann. Derating-Richtlinien und/oder -Standards beruhen in der Regel auf umfangreichen Erfahrungen und Daten, die auf den jeweiligen Komponenten, Materialien und Anwendungen basieren, die infrage kommen. Wenn Sie sich an einige Regeln halten, kann ein neuer Entwickler fundierte Entscheidungen treffen, die auf einer viel längeren Erfahrung beruhen, als er sie vielleicht hat.

Die historischen Grundlagen und die Erforschung der Physik des Versagens sprengen ein wenig den Rahmen dieses Blogs, aber es ist gut, eine kurze Einführung in die Art von Analysen zu geben, mit denen Designer in diesem Zusammenhang rechnen können. Die statistisch basierten Algorithmen, auf die im vorigen Abschnitt Bezug genommen wurde, implementieren in der Regel eine Variante der Arrhenius-Gleichung [2], die die Temperatur mit der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen in Beziehung setzt und damit eine Vorhersage darüber ermöglicht, wann die von einer Komponente im Laufe ihrer Lebensdauer beobachtete Energie eine ausreichende thermische Belastung darstellt, sodass eine Degradation bis zu einem bestimmten Schwellenwert zu erwarten ist, der einen Ausfallpunkt definieren kann. Kombiniert man diese Prädiktoren für Leistung/Ausfall mit den umfangreichen Erfahrungen und Daten, die als Grundlage für die oben erwähnten Konstruktionsrichtlinien dienen, erhält man Prozessdokumente, auf deren Entwicklung, Pflege und Einhaltung seriöse, leistungsfähige Konstruktionsressourcen achten werden, die so etwas wie ein Qualitätsmanagementsystem (QMS) oder einen anderen Rahmen für die Prozesskontrolle und Datenerfassung umfassen können. Eine Abkürzung, um festzustellen, wie seriös eine bestimmte Ressource ist, besteht darin, die Art der verwendeten Standards/Zertifizierungen/Prozesse herauszufinden; siehe die ISO 9001 [3] als allgemein anerkanntes Beispiel dafür.

Da Magnete nicht nur integraler Bestandteil des Designs/Betriebs der Stromversorgungslösung sind, sondern aufgrund der damit verbundenen manuellen Prozesse und/oder komplexen Strukturen auch eine häufige Fehlerquelle darstellen (ganz zu schweigen von der elektromagnetischen Verträglichkeit oder EMV), müssen viele ernsthafte Stromversorgungsdesigner erhebliche technische Anstrengungen unternehmen, um die Materialien und das Design (elektrisch und mechanisch) von Transformatoren und Induktivitäten zu optimieren. Die Konstruktion von Transformatoren ist nicht nur entscheidend für die Leistung, sondern kann auch die erste Verteidigungslinie sein, um die Stromversorgungslösung (und damit das Endsystem) sicher zu machen, indem eine galvanische Trennung zum Schutz der Benutzer und/oder Lasten vor unsicheren Spannungen implementiert wird. Diese Komponenten haben den zusätzlichen Nachteil, dass sie in der Regel die größten (in Größe und Masse) im System sind. Das bedeutet, dass zusätzlich zu den gerade beschriebenen Faktoren auch die bloße Sicherung dieser großen Komponenten notwendig ist, um sicherzustellen, dass sie über die zu erwartenden maximalen Stoß- und Vibrationsbelastungen des Systems hinaus in ihrer Position verriegelt bleiben.

Der Test- und Qualifizierungsrahmen, der zur Bewertung der Leistung und der ultimativen Grenzen eines Designs verwendet wird, trägt wesentlich zum Erfolg oder Misserfolg einer eingesetzten Lösung bei. Sicherlich werden die meisten Systementwickler ein gewisses Maß an Designverifizierungstests (DVT, auch bekannt als Prüfstandtests) durchführen, aber die Prüfung des Prüflings in einem sorgfältig ausgearbeiteten Experiment, das methodisch auf die Hebel des Versagens (insbesondere bis zur Bruchgrenze) einwirkt, ist das, was ein nettes, akzeptables Design von einem exzellenten, äußerst zuverlässigen Design unterscheidet. Diese Art von Tests fällt in die Kategorie der „hoch beschleunigten“ Tests, da sie die extremen Belastungen nachbilden, denen ein System im Laufe seines Lebens ausgesetzt sein kann, um die Versagensmechanismen in einem vernünftigen Zeitrahmen für die Entwicklung herauszuarbeiten (d.h. Tests über Wochen/Monate, die eine jahrelange Nutzung darstellen). Bei dieser Art von Tests können auch elektrische/thermische/mechanische Belastungen in einer Laborumgebung auftreten, die als einfache Tests auf dem Prüfstand nicht machbar oder gar sicher sind. Einige Beispiele für diese Art von Tests sind ein hoch beschleunigter Lebensdauertest (HALT) [4], bei dem ein Design bereits in der Designphase bis zum Versagen getestet wird, oder ein hoch beschleunigtes Stress-Screening/Auditing (HASS/HASA) [5], bei dem die laufende Zuverlässigkeit durch ständige Stichproben aus der Produktion und regelmäßige, beschleunigte Lebensdauertests bewertet wird.

Es wurde bereits viel über die wichtigsten Fehlerpunkte diskutiert, die die Stromversorgungslösungen mit der Zuverlässigkeit des Gesamtsystems in Verbindung bringen, sowie über einige allgemeine Ansätze, die Experten für Stromversorgungslösungen verfolgen, um solche Engpässe zu charakterisieren und sie auf der Grundlage der Physik des Fehlers zu umgehen. Vielleicht ist es sinnvoll, ein wenig tiefer in die Besonderheiten des Designs und der Herstellung von Stromversorgungen einzutauchen, um die Diskussion mit den modernsten Methoden der Baugruppenfertigung zu bereichern.

Da elektromechanische Komponenten als die häufigsten Schwachstellen in einem System identifiziert wurden, könnte eine nahe liegende Lösung darin bestehen, diese Komponenten einfach zu eliminieren, aber das ist leichter gesagt als getan. Die Tatsache, dass ein Lüfter sperrig und störanfällig ist, bedeutet nicht, dass die Komponenten nicht auch ohne ihn kühl genug gehalten werden können, um in ihrem angestrebten Betriebsbereich zu bleiben. Der Einsatz anderer Techniken zur Abschwächung der Wärmeentwicklung (z.B. Wärmeableitung/-verteilung) in Kombination mit intelligenten Energieverwaltungstechniken, um den Verbrauch von vornherein zu senken, kann den Unterschied zwischen einem System, das durch den Einsatz eines Lüfters zwangsbelüftet werden muss, und einem System, das durch Strahlungs- oder Konvektionsluftstrom gekühlt werden kann, ausmachen. Alles, was die gesamte funktionale Kommutierungseffizienz einer Stromversorgungslösung verbessert, wie z.B. Wide-Bandgap-Halbleiter (WBG) oder reduzierte Kondensatorwelligkeit, trägt zu diesem Wertbeitrag bei, da die Effizienz umgekehrt proportional zur Verlustleistung der Lösung ist.

Das Ersetzen von Through-Hole (TH) Pins durch Surface-Mount (SM) Pads ist ein wachsender Trend bei Stromversorgungslösungen und nur eine der vielen fortschrittlichen Verpackungsinnovationen der letzten Jahre. Zwar ist die SM-Technologie an sich nichts Neues, aber die Fähigkeit, hohe Strom-/Wärmebelastungen direkter von verpackten Leadframes und Halbleiterkomponenten auf externe Leiterplatten (PCB) und Kühlkörper/Wärmespreizer zu übertragen, hat große Fortschritte gemacht, insbesondere mithilfe von dreidimensionalen Power-Packaging-Techniken (3DPP^®) [6]. Sauberere Anbringungsmethoden führen auch zur Verwendung verbesserter Lötstandards wie IPC-610 [7], da Lötstellen sowohl für Qualitätsmanager als auch für diejenigen, die für die Fehlersuche bei intermittierenden Problemen im Feld verantwortlich sind, ein sehr häufiger Grund für Sodbrennen sind.

Wir haben bereits darüber gesprochen, dass wir so viele manuelle Lösungen wie möglich in automatisierte Lösungen umwandeln müssen, insbesondere im Zusammenhang mit Magnetik. Moderne Packaging- und heterogene Integrationstechniken gehen noch einen Schritt weiter, indem sie planare Magnete einbeziehen. Dazu werden die Wicklungen des Magneten in sorgfältig kontrollierte und wiederholbar platzierte Leiterbahnen auf einer Leiterplatte (oft dieselbe wie die anderen Systemkomponenten) integriert und dann das Magnet-/Kernmaterial um die Leiterbahnen herum eingeschlossen, um magnetische Strukturen zu bilden. Dies bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich, die von der Verringerung der Größe bis hin zur Realisierung sehr komplexer Geometrien mit engen Toleranzen reichen, während gleichzeitig eine unzuverlässigere Komponente entschärft und die Skaleneffekte und die Automatisierung der Fertigung vorangetrieben werden. Planare Magnete können auch eine verbesserte konforme Beschichtung von Leiterplatten und/oder eine hermetische Versiegelung zum Schutz vor Umwelteinflüssen ermöglichen, die die Systemzuverlässigkeit beeinträchtigen, wie z.B. Staub, Feuchtigkeit und fremde leitfähige Partikel in der Luft.

Moderne Verbesserungen bei den Herstellungsprozessen und der Dokumentation zur Rückverfolgung von Komponenten tragen in hohem Maße dazu bei, dass die Zuverlässigkeit der Systeme, die von den Stromversorgungslösungen angetrieben werden, selbst angesichts immer komplexerer Baugruppen nahezu kontraintuitiv verbessert wird. Verbesserte Rückverfolgbarkeit und ein globaler Fokus auf die humane Beschaffung von Rohstoffen ermöglichen nicht nur die Rückverfolgung des Chargen-/Datumscodes eines einzelnen Bauteils in einer Stromversorgung bis zu seiner Quelle, sondern sogar die Rückverfolgung bis zu dem Land oder der Mine, aus dem/der das Material stammt, indem man die Seriennummer der Stromversorgung nachschlägt. Dieses Maß an Verfolgung und Rückverfolgbarkeit ist das Ergebnis jahrelanger Papierarbeit und Datenbankerfassung, die sich von Papieren in einem Aktenschrank zu einer eindeutigen, digitalen ID entwickelt haben, mit der eine Baugruppe von der Zusammenstellung der Module bis zur Endverpackung/zum Test/Versand und sogar bis zum Einsatz vor Ort verfolgt werden kann. Die Bedeutung dieser fortschrittlichen Dokumentationsprozesse sollte auch im Hinblick auf den Beitrag zur Qualität der nachbearbeiteten Komponenten/PCAs beachtet werden, zusätzlich zu denjenigen, die reibungslos von einem Ende der Montagelinie zum anderen fließen. Die Verfolgung des Weges, den eine Einheit genommen hat, war früher ein echtes Ermittlungsrätsel, bei dem oft die kritische Rückverfolgung verloren ging, die sonst zur Analyse der Fehlerursache und zur ständigen Optimierung der Systemzuverlässigkeit führen würde. Woher soll man sonst wissen, dass eine Platine aus kurzfristiger Bequemlichkeit für den Bediener der Fertigungslinie ein nicht unterstütztes thermisches Profil im falschen Löt-Reflow-Ofen durchlaufen hat?

Jedes System ist nur so stark wie sein schwächster Punkt, und Stromversorgungen bieten viele potenzielle Engpässe, um die Systemzuverlässigkeit zu maximieren. Schließlich können Stromversorgungslösungen in Bezug auf die Anzahl der Bauteile und die Komplexität des Designs genauso anspruchsvoll sein wie jedes andere Subsystem oder jede andere Komponente und sogar mit dem Design des Gesamtsystems selbst konkurrieren. Wenn Sie dies erkennen und verinnerlichen, können Sie diese Schwachstellen in die robustesten und zuverlässigsten Systeme der Welt verwandeln (oder sogar darüber hinaus in Weltraumanwendungen, wo es keine Garantierückgabe für Reparaturen gibt).

Die Physik des Versagens bei Energielösungen wurde über viele Jahrzehnte hinweg sehr gründlich erforscht, sodass den Entwicklern heute umfangreiche Werkzeuge und Richtlinien zur Verfügung stehen. Diese hilfreichen Lösungen können speziell auf bestimmte Branchen und Anwendungen zugeschnitten sein. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass sie, selbst wenn sie für einen bestimmten Markt oder eine bestimmte Branche maßgeschneidert sind, dennoch sehr nützlich und zugänglich (z.B. billig) sein können, um sie auf einen anderen Markt anzuwenden. Die Richtlinien zur Leistungsreduzierung und die beschleunigten Lebensdauertests in einer Norm wie IPC-9592B [8] wurden beispielsweise für größere Computer und Telekommunikationssysteme entwickelt, können aber auch die Herstellung eines zuverlässigen und erschwinglichen Verbraucherprodukts erleichtern. Standards wie MIL-HDBK-217 [9] und MIL-HDBK-338B [10] wurden für militärische Anwendungsfälle geschaffen, können aber auch für andere Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit genutzt werden.

HINWEIS: Achten Sie auf das Datum einiger dieser Dokumente und recherchieren Sie, was in einer bestimmten Anwendung verwendet wird, da einige davon schon recht alt sein können. Achten Sie auch auf die Referenzen und Hintergrundinformationen, die zu den verwendeten Anleitungen geführt haben, um sicherzustellen, dass alle Daten/Annahmen für die jeweilige Anwendung sinnvoll sind.

Glücklicherweise stehen den Designern heute Drop-in-Stromversorgungslösungen zur Verfügung, die unglaublich zuverlässig und mit benutzerfreundlichen Formfaktoren ausgestattet sind, die mit einer Vielzahl von Fertigungsprozessen kompatibel sind. Fortschrittliche Packaging- und 3DPP^®-Techniken bieten Systementwicklern die Vorteile und die Robustheit integrierter Stromversorgungslösungen und nutzen gleichzeitig die Vorteile modernster (SOTA), handelsüblicher (COTS) Stromversorgungssubsysteme.

[1] Wikipedia contributors, “Mean time between failures," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Mean_time_between_failures&oldid=1128168769 (accessed March 6, 2023).

[2] Wikipedia contributors, "Arrhenius equation," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Arrhenius_equation&oldid=1123333780 (accessed March 6, 2023).

[3] Wikipedia contributors, "ISO 9000," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=ISO_9000&oldid=1143191589 (accessed March 6, 2023).

[4] Wikipedia contributors, "Highly accelerated life test," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Highly_accelerated_life_test&oldid=1114242261 (accessed March 6, 2023).

[5] Wikipedia contributors, "Highly accelerated stress audit," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Highly_accelerated_stress_audit&oldid=959928574 (accessed March 6, 2023).

[6] “Introducing RECOM 3D Power Packaging® (3DPP),” RECOM Blog, Feb 26, 2021, https://recom-power.com/en/company/newsroom/blog/rec-n-introducing-recom-3d-power-packaging-(3dpp)-145.html (accessed January 23, 2023).

[7] IPC-A-610 Development Team, "IPC-A-610 - Revision F - Standard with Amendment 1: Acceptability of Electronic Assemblies," IPC, Bannockburn, IL, May 9, 2016. Available: https://shop.ipc.org/ipc-a-610/ipc-a-610-standard-amendments/Revision-f/english.

[8] Power Conversion Devices Standard Subcommittee (9-82), "IPC 9592B: Requirements for power conversion devices for the computer and telecommunications industries," IPC, Bannockburn, IL, Nov 2012, pg. 20. Available: https://shop.ipc.org/ipc-9592/ipc-9592-standard-only.

[9] “MIL-HDBK-217F: MILITARY HANDBOOK –RELIABILITY PREDICTION OF ELECTRONIC EQUIPMENT,” US Department of Defense, December 2, 1991.

[10] “MIL-HDBK-338B: MILITARY HANDBOOK – ELECTRONIC RELIABILITY DESIGN HANDBOOK,” US Department of Defense, October 1, 1998.