Fit and forget: ein 1200W AC/DC, der leise seine Arbeit verrichtet!

Stromversorgungen mit AC-Eingang auf der 1kW-Ebene sind Arbeitspferde in zahlreichen Sektoren, von der Industrie über die Telekommunikation, das Transportwesen bis hin zur Medizin. Die Hersteller von Stromversorgungen arbeiten daran, ihre AC/DC-Produkte mit mehr Funktionalität, Überwachung und Kontrolle auszustatten, aber gleichzeitig gibt es den Druck der Kunden, sie „verschwinden“ zu lassen.

Die Benutzer wollen, dass die Stromversorgungen kleiner, leichter und leiser sind, sowohl akustisch als auch im Hinblick auf die EMI. Sie sollten auch bei hohen Ausgangslasten kühl laufen und dem System nur wenig Wärme zuführen, und die Verlustleistung sollte im Standby oder beim Herunterfahren vernachlässigbar sein. Auch die Kosten sollten niedrig sein. Gleichzeitig wollen die Systemingenieure keine unangenehmen Überraschungen durch „Kleingedrucktes“ (z.B. die Höhe) erleben, nichts, das den Betrieb einschränkt, und die Logistikabteilung möchte ein einziges Produkt für möglichst viele Anwendungen mit den richtigen Zertifizierungen für jeden einzelnen Bauteil.

Tief durchatmen

Das AC/DC-Designteam atmet tief durch, nimmt seine Bleistifte (oder heutzutage eher Eingabestifte) in die Hand und beginnt mit der Abwägung der vielleicht Tausenden von Designentscheidungen, die getroffen werden müssen. Diese stehen oft im Widerspruch zueinander und erstrecken sich über verschiedene Disziplinen, von der Schaltungstheorie über Sicherheit, EMV, Magnetik, Mechanik, Kühlung, Ästhetik, Einhaltung von Normen und vieles mehr.

Moderne Designs auf diesem Leistungsniveau haben immer ein digitales Element mit eingebetteter Firmware, so dass Programmierkenntnisse ein weiteres Element sind, das es zu berücksichtigen gilt. Dies ist dringend erforderlich, und das Produkt Management kann die Spezifikationen ändern, so dass nicht zuletzt das Projektmanagement zu den erforderlichen Disziplinen gehört.

Nachdem wir hoffentlich etwas Sympathie für die AC/DC-Produktentwickler geweckt haben, werden wir nun die RECOM RACM1200-V Serie (Abbildung 1) als ein Beispiel dafür betrachten, wie erfolgreich das Ganze ist und wie das Produkt durch die jüngsten Upgrades noch weiter verbessert wurde. Dieses AC/DC-Modul arbeitet mit einer Universalspannung von 80-264VAC und bietet einen einzelnen 24V-, 36V- oder 48V-Ausgang mit einem breiten Einstellbereich bei 1kW Dauerleistung und einem typischen Wirkungsgrad von 95%.

Große Dinge können in kleinen Paketen kommen

Die Größe des RACM1200-V ist mit 228x 96,2x 40mm (9x 3,8x 1,57 Zoll) bereits das erste Kriterium. Dies stellt eine der höchsten Leistungsdichten auf dem Markt dar und passt in ein Standard-1U-Rack (1U = 1,75 Zoll). AC-Eingang und DC-Ausgang befinden sich an gegenüberliegenden Enden, was bequeme Anschlüsse und ein effizientes internes Layout ermöglicht. Die Größe muss jedoch immer im Verhältnis zu der für die angegebene Nennleistung erforderlichen Kühlung betrachtet werden.

Bei den typischen Anwendungen für diese Produkte ist ein interner Lüfter aus Gründen der Wartung und des Geräuschpegels unerwünscht, so dass das Produkt für eine eigenständige Kühlung, Kaltwandkühlung und Zwangsluftkühlung ausgelegt ist. Obwohl wir hier von typischen 1kW-Anwendungen sprechen, gibt es einen Hinweis in der Artikelnummer: 1200W sind als Spitzenleistung für bestimmte Zeiträume oder kontinuierlich mit einem bescheidenen Luftstrom von 2,5m/s verfügbar, und das alles bei einer maximalen Temperatur der Grundplatte von 85°C.

Um eine bestimmte Leistung zu erreichen, gibt es mehrere Kompromisse: Umgebungs- und Kaltwandtemperaturen, Luftstrom, AC-Eingangsspannung und Dauer der Spitzenleistung. RECOM hat auf dem Datenblatt des Produkts einen umfassenden Leitfaden zu den Möglichkeiten gegeben. Ein Parameter, der in den Spezifikationen oft fehlt, ist die zulässige Wiederholungsrate einer Spitzenleistung - die Abkühlzeit, die notwendig ist, damit die Temperaturen bei mehreren aufeinanderfolgenden Spitzenbelastungen nicht auf hohe Werte „hochschnellen“. RECOM bietet diesbezüglich eine Anleitung, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Die Präzisionssteuerung ermöglicht einen sicheren Betrieb innerhalb der Grenzen der Stromversorgung

Das RACM1200-V wurde mit Blick auf seine Vielseitigkeit entwickelt. Die mitgelieferten thermischen Daten ermöglichen es dem Benutzer, unter bestimmten Bedingungen, die maximale Leistung aus dem Produkt herauszuholen und so die Notwendigkeit eines teureren, größeren und leistungsstärkeren AC/DC zu vermeiden. Eine Belastung des Produkts wird jedoch durch ein umfassendes Schutzsystem vermieden, das eine präzise Überstromerkennung, einen Konstantstrommodus für kleine Überlasten und schließlich eine Abschaltung im Stil eines „hiccup mode“ umfasst, die viermal durchläuft, bevor sie sich selbst abschaltet (Abbildung 3). Gleichzeitig sind ein Übertemperatur- und ein Überspannungsschutz für den Ausgang in Betrieb.

Das Produkt ist noch flexibler, da die Schutzstufen über die integrierte PMBus^™-Schnittstelle einstellbar sind. Sogar der Übertemperaturschutz verfügt über verschiedene Stufen: eine „harte“ und sofortige Abschaltung durch die Erkennung von Primärschaltern und eine „weichere“ Abschaltung durch die Erkennung von Ausgangskomponenten, wobei die Stromversorgung zunächst mit einer Reduzierung der Ausgangsleistung reagiert und ein Warnflag setzt, bevor es sich schließlich sicher abschaltet, wenn die Temperatur weiter steigt.

Die Firmware für die digitale Intelligenz des RACM1200-V wurde erheblich verbessert, so dass das Produkt den Strombedarf in Echtzeit effektiv überwachen und mit seinen Fähigkeiten abgleichen kann, wenn die externen Bedingungen der AC-Netzspannung und der Temperatur an mehreren Standorten gemessen werden. Der Effekt ist, dass der Benutzer sicher sein kann, dass das Produkt nicht beschädigt oder überbeansprucht werden kann, was seine Lebensdauer verkürzt hätte. Um dies zusätzlich zu unterstützen, wird ein Ausgang für die Lüftersteuerung des Endsystems bereitgestellt, dessen Geschwindigkeit und Status über ein bereitgestelltes „Tacho“-Signal überwacht werden kann. Durch die Temperaturkontrolle der Lüftergeschwindigkeit wird die Verlustleistung reduziert und die Geräuschentwicklung minimiert.

Der PMBus bietet zusätzliche Überwachungs- und Steuerungsmöglichkeiten, so dass der RACM1200-V in ein SCADA- (Supervisory Control and Data Acquisition) oder intelligentes Energiemanagementsystem integriert werden kann. Aber auch die schnelle und sichere analoge Steuerung kommt nicht zu kurz: Remote Sense und On/Off stehen ebenso zur Verfügung wie ein ACOK-Signal zur Warnung nach einem AC-Netzausfall, aber vor Ablauf der Überbrückungszeit. Ein PSU GOOD-Signal zeigt an, dass der Ausgang innerhalb der Spezifikation liegt, und ein „immer eingeschalteter“ 5V-Standby-Ausgang bei 1A ist mit einer nützlichen 1,5kV-Isolierung vom Hauptausgang versehen. Der bereits erwähnte Ausgang für die Lüftersteuerung kann auf „Aus“ oder zwischen 5V und 12V mit 1A eingestellt werden. Zur optischen Auflockerung signalisiert eine RGB-LED sieben verschiedene Zustände der Stromversorgung mit einer Kombination aus kontinuierlichen, blinkenden und wechselnden Farben:


Dank der hochpräzisen Steuerung des Produkts eignet es sich für eine Vielzahl von Lasttypen. Motoren mit hohem Einschaltstrom profitieren zum Beispiel von der eingebauten Konstantstrom-charakteristik. Eine weitere Anwendung ist das Laden von Batterien. Blei-Säure-Batterien sind immer noch weit verbreitet und werden mit konstantem Strom und konstanter Spannung geladen. Dies kann in der Steuerungsfunktion des RACM1200-V berücksichtigt werden.

Wenn man nicht genug von dem Produkt bekommen kann, können bis zu drei Geräte parallel geschaltet werden, um die Leistung zu erhöhen. Die Aufteilung erfolgt über die „Droop“-Methode, um sicherzustellen, dass jeder einen gleichen Strombeitrag liefert.

Verschiedene Anwendungen erfordern die Einhaltung unterschiedlicher Standards

Wir haben erörtert, wie das Produkt für verschiedene Lasttypen mit umfassender Kontrolle und Überwachung geeignet ist. Die verschiedenen Anwendungen erfordern jedoch auch die Einhaltung bestimmter Normen, und eine AC/DC, das den Anspruch erhebt, vielseitig zu sein. Es muss diese ohne „Wenn und Aber“ abdecken. Das Minimum, das von einem modernen Produkt erwartet wird, ist eine Zertifizierung nach der IT- und Multimedianorm IEC/EN/UL 62368-1, die das RACM1200-V bis zu einer Höhe von 5000 Metern besitzt.

Außerdem erfüllt es die Sicherheitsnormen IEC/EN 61558-1/2 für Transformatoren und Stromversorgungen und IEC/EN 61010-1/2 bis zu einer Höhe von 4000 Metern für Testgeräte, Prozesssteuerungsgeräte und Laborprodukte. Das Produkt ist für die Überspannungskategorie II (OVC II) nach IEC 62368-1 und IEC 61010-2 und für die Überspannungskategorie III (OVC III) nach IEC 62477 bis zu einer Höhe von 2000 Metern ausgelegt, so dass die Module auch in elektrisch verrauschten Umgebungen eingesetzt werden können. Die Ökodesign-Anforderungen werden mit einem Leerlaufverbrauch von typischerweise 2W und einem Standby-Verbrauch von maximal 1W erfüllt.

Die Zertifizierung geht jedoch noch weiter und entspricht dem medizinischen Standard IEC/EN ANSI-AAMI 60601-1. Sie brauchen sich keine Gedanken über Ausnahmen zu machen, denn das Produkt erfüllt die höchsten geforderten Standards, nämlich 2x Measures of Patient Protection (2xMOPP) in 250VAC-Systemen bis zu einer Höhe von 4000 Metern. Wie es der Standard auf dieser Ebene verlangt, beträgt die Isolationsspannung 4kVAC, und eine doppelte Eingangssicherung ist vorhanden. Bei medizinischen Anwendungen ist der Netzableitstrom begrenzt, und das Produkt erreicht einen Patientenableitstrom von maximal 100µA unter normalen Bedingungen (NC) und maximal 500µA unter Einzelfehlerbedingungen (SFC). Dies ermöglicht die Verwendung des Produkts mit eingebauten medizinischen BF-Anschlüssen (Body Floating) und einen breiten Anwendungsbereich in Krankenhaus- und Pflegeumgebungen.

Die Ausgangsisolierung zum Gehäuse beträgt 1,5kVAC, was die Möglichkeit eröffnet, die Produkte in Power over Ethernet (PoE)-Anwendungen zu verwenden, die diese Leistung erfordern.

Die EMV-Konformität ist umfassend: Die Bauteile erfüllen die EMV-Emissionsspezifikationen von IEC/EN 60601 bis Klasse B, EN 55011, EN55032 und FCC 47 CFR Pt 15, alle auf Klasse B-Niveau. Die Störfestigkeitswerte entsprechen den Anforderungen der Normenreihe IEC/EN 61000 sowie den Normen EN 55035 und EN 55024 für Multimedia- bzw. Industriegeräte.

Für Geeks

Der RACM1200-V ist ein bemerkenswertes Produkt, das modernste Spezifikationen, Leistungsdichte und Vielseitigkeit zu einem erschwinglichen Preis vereint. Um dies zu erreichen, haben die Entwickler die neuesten Umwandlungstechniken eingesetzt, darunter eine verschachtelte Boost-PFC-Stufe und eine hochmoderne „LLC“-Isolations- und Umwandlungsstufe.

Diese Resonanztopologie erreicht die Regulierung, indem sie die Frequenz der Treiberwellenform der Endstufe variiert, um die Reaktionskurve eines Resonanztanks“ auf- und ablaufen zu lassen und so die Verstärkung der Stufe und die Ausgangsspannung zu variieren, wobei eine analoge Steuerung durch Rückkopplung vom Ausgang erfolgt. Die Ausgangsgleichrichter sind aktiv-synchrone Typen für höchste Effizienz.

Während die Rückkopplung des Regelkreises analog erfolgt, kümmert sich ein Mikrocontroller um die Kommunikationsschnittstellen, die externe Steuerung und die Überwachung. Eine separate AC/DC-Quelle mit geringem Stromverbrauch liefert interne und externe Hilfsstromversorgung (Abbildung 4).

Können wir dies einbauen und dann eventuell vergessen?

Das Design des RECOM RACM1200-V stellt ihn an die Spitze der Technologie, aber aufgrund seiner Aufdringlichkeit und seiner Anforderungen an den Benutzer in den Hintergrund. Dank seines universellen Eingangsbereichs, seiner umfassenden Zertifizierungen und seiner Sicherheitsfunktionen lässt er sich leicht in jede gängige Anwendung integrieren. Das klare logische Format der neuen modularen Firmware macht die Konfiguration noch einfacher und ermöglicht dem Hersteller eine schnelle Umsetzung von kundenspezifischen Varianten. Montieren Sie es aber vergessen Sie es nicht - die stetig leuchtende grüne LED signalisiert, dass die Stromversorgung zuverlässig ihren Dienst tut. Sie könnte allerdings einsam werden, wenn sie so wenig Aufmerksamkeit benötigt - Sie könnten gelegentlich eine PMBus^TM-Abfrage senden, um sie wissen zu lassen, dass Sie sich um sie kümmern.