Spitzenleistung vs. Durchschnittsleistung - Wie man den richtigen Wandler wählt

Betrachten Sie ein typisches Wirkungsgrad/Last-Diagramm für ein 10W AC/DC-Netzteil (z.B. RAC10-12SK/277):

Die Überlastkurve des Wirkungsgrads ist bei allen Lasten von über 20% recht flach, was gut ist, aber bei 50% Last (5W) schwankt der Wirkungsgrad je nach Versorgungsspannung zwischen 77% und 81% (Abbildung 1, orangefarbene Linie). Bei 100% Last bleibt der Wirkungsgrad konstant bei 83%, unabhängig von der Eingangsspannung (Abbildung 1, blaue Linie).

Dieser Unterschied mag unbedeutend erscheinen, aber ein Wirkungsgrad von 77% bedeutet, dass 30% der zugeführten Energie als Wärme verschwendet werden, während ein Wirkungsgrad von 83% bedeutet, dass nur 20% verschwendet werden - eine erhebliche Verringerung der Verlustleistung. Würde das Netzteil durch ein gleichwertiges Bauteil mit einer Nennleistung von 5W, z.B. einen RAC05-K/277, ersetzt, so läge der Wirkungsgrad unabhängig von der Versorgungsspannung konstant bei 83% (Abbildung 2).


Darüber hinaus ist nicht nur die Betriebseffizienz höher, sondern auch die Größe des 5W-Bauteils ist fast halb so groß wie die des 10W Bauteils; außerdem ist es preiswerter - eine Win-Win-Situation.

Spitzenleistung vs. Durchschnittsleistung

Aber, höre ich Sie sagen, was ist mit der Spitzenleistung? Wie wird eine Stromversorgung, die unter den ungünstigsten Dauerlastbedingungen betrieben wird, auch mit zusätzlichen kurzfristigen Überlastspitzen fertig?

Das Schlüsselwort ist hier „Worst-Case“ - im Normalbetrieb wird die Last in der Regel geringer sein als dieser Leistungsbedarf. Wird der Wandler kontinuierlich mit der Worst-Case-Last betrieben, kann er diesen Leistungspegel immer noch problemlos bewältigen, obwohl die tatsächliche Last in der Praxis viel geringer sein wird. Dies verschafft dem Wandler einen gewissen „thermischen Spielraum“, um auch kurzfristige Überlastspitzen zu bewältigen, die höher als die Dauerbetriebslast sind.

Das Datenblatt des RAC05-SK/277 enthält zum Beispiel eine Berechnung zur Ermittlung der Spitzenlastfähigkeit (Abbildung 3):

Eine wichtige Zahl ist hier P_P - die Spitzenausgangsleistung. Der RAC05-SK/277 hat eine Nennausgangsleistung von 5W, kann aber tatsächlich 6W liefern, ohne dass der Überlastschutz anspricht.

Bei Überlastungen unter 120% Nennlast ist der begrenzende Faktor die interne Temperatur der Bauteile im Wandler. Wenn der Wandler zwischen den Überlastungsereignissen genügend Zeit zum Abkühlen erhält, kann er mehrere oder zyklische Überlastungen aushalten und trotzdem eine stabile Ausgangsspannung liefern.

Für sehr kurze und sehr schwere Überlastungsereignisse kann ein externer Ausgangskondensator installiert werden, um den erforderlichen Spitzenstrom zu liefern und zu verhindern, dass der Wandler in den Überlastungsschutz geht. Dies ist nützlich für Anwendungen wie drahtlos verbundene Mikrocontroller, bei denen die Stromspitzen während der Übertragungsbursts sehr kurz sind und viel Strom verbrauchen, der durchschnittliche Stromverbrauch aber viel geringer ist (Abbildung 4). In diesem Fall kann die Stromversorgung so dimensioniert werden, dass sie die Durchschnittsleistung und nicht die Spitzenleistung liefert.

Bis zu diesem Punkt haben wir AC/DC-Wandler betrachtet, aber auch DC/DC-Wandler können einer solchen Analyse unterzogen werden. Der Unterschied besteht darin, dass DC/DC-Wandler für den Dauerbetrieb im Bereich von 80-100% Ausgangsleistung ausgelegt sind und ihre Wirkungsgradkurve noch schneller abfällt, wenn sie bei viel niedrigeren Lasten eingesetzt werden. Daher bedeutet der Betrieb bei niedrigem Ausgangsstrom nicht immer, dass sie viel kühler laufen. Im Allgemeinen sollte die Verwendung eines 10W DC/DC-Wandlers bei einer 5W-Last vermieden werden, es sei denn, es gibt keine andere Möglichkeit, den geforderten Betriebstemperaturbereich einzuhalten, außer durch Leistungsderating.

Die RS12-Z Serie beispielsweise liefert beeindruckende 12W isolierte Leistung in einem kompakten SIP8-Gehäuse (21,8mm x 9,6mm). Mit natürlicher Konvektionskühlung und einer nominalen 24-V-Versorgung kann ein RS12-Z-Wandler bei voller Leistung bei bis zu 75°C arbeiten, während er durch ein Derating der Last auf 50% im industriellen Temperaturbereich von -40°C bis +85°C arbeiten kann. Die Halbierung der Last bringt also nur einen zusätzlichen Umgebungstemperaturbereich von +10°C, da der Wandler nicht mehr mit seinem höchsten Wirkungsgrad arbeitet. Nichtsdestotrotz sind selbst 6W in einem SIP8-Gehäuse, das im vollen industriellen Temperaturbereich nur mit Freiluftkonvektionskühlung betrieben wird, immer noch deutlich besser als die Konkurrenz, die auf forcierte Luftkühlung zurückgreifen muss, um die gleiche Ausgangsleistung zu liefern.

Überstromschutz

Viele preiswerte AC/DC- und DC/DC-Wandler verfügen über eine sehr einfache Ausgangsüberstromschutzschaltung, die auf der Erkennung des Spannungsabfalls über einen internen Nebenschlusswiderstand basiert (Abbildung 5).

Solche internen Schutzschaltungen sind zwar einfach zu implementieren und als Kurzschlussschutz sehr wirksam, haben aber eine große Schwankungsbreite der Überstromgrenze, da der Auslösepunkt stark von der Toleranz des Shunt-Widerstands und der VBE-Schwellenspannung des NPN-Transistors abhängt. Die Bauteilwerte sind daher so festgelegt, dass der Überstromschutz nicht über den gesamten Betriebstemperaturbereich bei 100% Last auslöst. Dadurch erhält der Wandler eine sehr große Überlasttoleranz bei Raumtemperatur - typischerweise bis zu 140% der Nennausgangsleistung. Solche Wandler können zuverlässig bei kontinuierlicher Volllast betrieben werden und verfügen dennoch über einen beträchtlichen Spielraum, um alle Überlastbedingungen zu bewältigen.

Eine Ausnahme von dieser Verallgemeinerung bilden die DC/DC-Schaltregler, die in der Regel mit einer höheren Schaltfrequenz arbeiten, um die Größe der Komponenten zu minimieren (bei einem Abwärtswandler werden durch die Erhöhung der Frequenz sowohl die Ausgangsinduktivität ALS AUCH der Ausgangskondensator verkleinert), und daher über weniger gespeicherte interne Leistungsreserven verfügen, wenn sie plötzlichen Spitzenüberlastbedingungen ausgesetzt sind. Der Shunt-Widerstand ist in der Regel auf demselben Wafer-Die integriert wie der Haupt-Controller-IC und hat eine viel engere Toleranz des Widerstandswerts, was zu geringeren Schwankungen bei der Überstromgrenze führt.

Außerdem verwenden die meisten Schaltregler eine zyklusweise Strombegrenzungsüberwachung, die auf einem präzisen Komparatorausgang basiert, anstatt sich auf eine ungenaue Vbe-Schwellenspannung zu verlassen. Infolgedessen schalten sie sich fast sofort ab, wenn der Grenzwert für den Überstrom- oder Kurzschlussschutz erreicht wird. Daher sollten DC/DC-Schaltregler so dimensioniert sein, dass sie die schlimmsten Spitzenlastbedingungen und nicht die Durchschnittslast bewältigen können.

Schlussfolgerung

Die Überspezifizierung eines AC/DC- oder DC/DC-Wandlers zur Bewältigung vorübergehender Spitzenlasten, als ob es sich um einen Dauerzustand handelte, ist ineffizient und kann zu einer größeren Stromversorgung als nötig führen. Wenn man die durchschnittlichen, ungünstigsten und Spitzenlastbedingungen der Anwendung kennt, kann eine optimale Lösung gewählt werden, die eine zuverlässige Versorgungsspannung zu geringeren Kosten gewährleistet. Unsere Ingenieure des technischen Supports oder unser technisches Verkaufsteam können Sie bei der Wahl der besten Lösung für Ihre Anwendung beraten.