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 – und ohne Strom funktioniert kein elektronisches oder elektrisches System. Die Fähigkeit, ordnungsgemäß eingeschaltet zu werden, ist ein grundlegender Maßstab für Zuverlässigkeit. Darüber hinaus hängt die Leistung eines Systems eng mit der Qualität der Stromversorgung zusammen. Die Stromqualität ist unter anderem davon abhängig, wie stabil die Spannung bei Schwankungen der Eingangs- oder Ausgangslasten geregelt wird, welche Transienten oder Lastsprünge toleriert werden, ohne Instabilität oder Grenzwertüberschreitungen zu verursachen, wie kontrolliert die Ausgangsspannung ansteigt, sowie davon, welche Sicherheitsnormen erfüllt werden müssen, um gesetzlich erforderliche Produktzertifizierungen zu erhalten.

Wie bereits angedeutet, betrifft die Spannungsregelung sowohl den Eingang als auch den Ausgang. Auch wenn die Ausgangsregelung zufriedenstellend funktioniert, kann zurückreflektiertes Rauschen am Eingang andere Geräte beeinflussen, die dieselbe Leitung oder denselben Bus verwenden. Wenn sich diese Interferenzen systemweit summieren, können sie die Stabilität und Zuverlässigkeit des gesamten Versorgungsnetzes beeinträchtigen. Anforderungen an den Leistungsfaktor (PFC) in AC/DC-Stromversorgungen oder maximal zulässige THD-Werte (Total Harmonic Distortion) sollen diese Effekte eindämmen.

Elektromechanische Komponenten – wie Steckverbinder, Kabelbäume, Drähte und Lötstellen – verbinden physisch Stromversorgungen mit Lasten und sind häufige Ausfallquellen. Auch bewegliche Teile wie Schalter und Lüfter gehören dazu. Filterkomponenten wie Kondensatoren, Transformatoren und Induktivitäten stellen ebenfalls kritische Elemente im Stromversorgungs-BOM dar. Die Zuverlässigkeit von Kondensatoren hängt oft vom verwendeten Elektrolyt ab, der über Zeit verdampfen oder ausgasen kann – insbesondere unter Einfluss von Temperatur und Restwelligkeit. Magnetische Bauteile mit komplexen, teils manuellen Fertigungsprozessen sind ebenfalls anfällig für Ausfallrisiken, z.B. durch Kernsättigung und thermische Belastung.

Angesichts der Komplexität heutiger Stromversorgungssysteme – mit zahlreichen elektromechanischen Bauteilen, hoher Leistungsdichte und maßgeschneiderten Stücklisten – erscheint es fast erstaunlich, dass diese Subsysteme sicher und reproduzierbar in hohen Stückzahlen gefertigt werden können. Auch einfach wirkende Lösungen basieren auf jahrelanger Optimierung, vom Rohmaterial bis zum Recycling. In der Entwicklungsphase stützen sich erfahrene Entwickler auf sogenannte Derating-Richtlinien. Diese geben an, mit welchem Sicherheitsabstand Komponenten gegenüber ihren maximalen Spezifikationen betrieben werden sollen. Dies betrifft Spannungen, Ströme, Temperaturen sowie mechanische Belastungen. Die sichere Auslegung basiert oft auf der Kombination mehrerer Grenzwerte, z.B. der maximalen Sperrschichttemperatur bei Halbleitern.

Diese Richtlinien basieren auf Erfahrungswerten und umfangreichen Daten zu spezifischen Materialien, Bauteilen und Anwendungsfällen. Neue Entwickler profitieren dabei von der Erfahrung vieler Jahre, um belastbare Designentscheidungen zu treffen. Die zugrunde liegenden Ausfallmodelle nutzen häufig die Arrhenius-Gleichung, um Temperatur und chemische Reaktionsgeschwindigkeit zu korrelieren – damit lassen sich thermisch bedingte Alterungsprozesse und erwartete Ausfallpunkte modellieren. Kombiniert mit den oben erwähnten Erfahrungswerten bilden sie die Grundlage für Qualitätsmanagementsysteme (QMS) und Fertigungsprozesse. Ein anerkannter Maßstab ist z.B. die ISO 9001-Zertifizierung.

Magnetische Komponenten wie Transformatoren sind nicht nur systemkritisch für Leistung und Isolation, sondern aufgrund manueller Fertigung auch potenzielle Schwachstellen – zusätzlich zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Ihre Konstruktion muss sowohl elektrisch als auch mechanisch sorgfältig erfolgen. Aufgrund ihrer Größe und Masse müssen sie mechanisch zuverlässig befestigt werden, um Stößen und Vibrationen standzuhalten. Das Test- und Qualifizierungskonzept bestimmt maßgeblich den langfristigen Erfolg eines Designs. Neben klassischen Prüfstandstests (DVT) ermöglichen hochbeschleunigte Verfahren wie HALT oder HASS/HASA die gezielte Identifikation latenter Fehlermechanismen – durch kontrollierte elektrische, thermische und mechanische Belastungen, die im normalen Betrieb nicht simuliert werden können.

Elektromechanische Komponenten gelten als häufige Ausfallpunkte. Moderne Designs zielen daher darauf, diese zu reduzieren oder ganz zu eliminieren. Ein Beispiel: Lüfter können durch Wärmemanagementmethoden wie passive Kühlung oder intelligente Leistungsregelung ersetzt werden. Durch verbesserte Effizienz – z.B. mithilfe von Wide-Bandgap-Halbleitern wie GaN oder SiC – sinkt die Verlustleistung, was Kühlbedarf und Ausfallrisiken reduziert. Das Ersetzen von Through-Hole-Pins durch Surface-Mount-Pads ist ein wachsender Trend, verstärkt durch 3D Power Packaging-Technologien (3DPP^®). Diese ermöglichen direkte Wärme- und Strompfade vom Halbleiter zum Kühlkörper. Zudem erlauben sie den Einsatz verbesserter Lötstandards wie IPC-610.

Ein weiterer Fortschritt sind planare Magnetics, bei denen die Wicklungen direkt in die Leiterplatte integriert werden. Dies erhöht die Fertigungsqualität, erlaubt komplexe Geometrien und erleichtert konforme Beschichtungen und hermetische Versiegelung, die vor Staub, Feuchtigkeit und leitfähigen Partikeln schützen. Moderne Fertigungsmethoden beinhalten auch komponentenbasierte Rückverfolgbarkeit, bei der sich einzelne Bauteile bis zur Mine ihres Rohstoffs zurückverfolgen lassen – anhand der Seriennummer. Diese digitale Nachverfolgbarkeit ist ein Schlüsselfaktor bei der Qualitätssicherung, Fehleranalyse und Optimierung.

Ein System ist nur so zuverlässig wie sein schwächstes Glied – und die Stromversorgung bietet viele potenzielle Engpässe. Ihre Komplexität kann der des Gesamtsystems ebenbürtig sein. Doch wer die Schwachstellen erkennt, kann daraus hochzuverlässige und robuste Systeme entwickeln – sogar für Weltraumanwendungen ohne Rückgabemöglichkeit. Die Physik des Versagens wurde gründlich erforscht – und heutige Entwickler haben Zugriff auf bewährte Richtlinien und Testverfahren. Auch wenn diese ursprünglich für spezielle Branchen entwickelt wurden (z.B. IPC-9592B, MIL-HDBK-217, MIL-HDBK-338B), lassen sie sich kostengünstig in anderen Anwendungsfeldern einsetzen.

Dank fortschrittlicher Packaging-Technologien und standardisierter Drop-in-Lösungen stehen moderne, hochzuverlässige Stromversorgungslösungen bereit – kompatibel mit gängigen Fertigungsprozessen, skalierbar und wirtschaftlich.