Spitzenleistung vs. Durchschnittsleistung: Wie man den richtigen AC/DC- oder DC/DC-Wandler wählt

24.09.2021
Leistungsabgabeverhalten im Zeitverlauf
Viele Ingenieure ziehen es vor, ein Netzteil mit ausreichend „Spielraum“ zu wählen. Wenn die Anwendung im schlimmsten Fall eine Leistung von z.B. 5W aufnimmt, wird ein 10W Netzteil gewählt. Dahinter steht die Überlegung, dass ein gewisser Sicherheitsfaktor für maximale Zuverlässigkeit erforderlich ist und sichergestellt werden muss, dass bei zukünftigen Erweiterungen des Anwendungsschaltkreises genügend Reservekapazität vorhanden ist, um zusätzliche Lasten zu bewältigen. Dies sind schlüssige Argumente, jedoch ist dies nicht immer die effizienteste Methode zur Auslegung einer Stromversorgung.

Inhaltsverzeichnis

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

Die Wirkungsgradkurve ist für Lasten über 20% relativ flach, was vorteilhaft ist. Bei 50% Last (5W) schwankt der Wirkungsgrad je nach Eingangsspannung zwischen 77% und 81% (Abbildung 1, orange Linie). Bei 100% Last bleibt der Wirkungsgrad konstant bei 83%, unabhängig von der Eingangsspannung (Abbildung 1, blaue Linie). Dieser Unterschied mag gering erscheinen, aber ein Wirkungsgrad von 77% bedeutet, dass etwa 30% der zugeführten Energie als Wärme verloren gehen, während bei 83% Wirkungsgrad nur etwa 20% verloren gehen, was eine deutliche Verringerung der Verlustleistung darstellt. Würde das Netzteil durch ein gleichwertiges Bauteil mit einer Nennleistung von 5W, z.B. einen RAC05-K/277, ersetzt, läge der Wirkungsgrad unabhängig von der Eingangsspannung konstant bei 83% (Abbildung 2).
Effizienz vs. Last für RAC10-12SK/277
Abb. 1: Wirkungsgrad/Last-Diagramm für einen 10W AC/DC-Wandler
Effizienz vs. Last für RAC05-12SK/277
Abb. 2: Wirkungsgrad/Last-Diagramm für einen 5W AC/DC-Wandler
Darüber hinaus ist nicht nur der Wirkungsgrad höher, sondern auch die Baugröße des 5W-Bauteils nahezu halb so groß wie die des 10W-Bauteils; außerdem ist es kostengünstiger, was eine klare Win-Win-Situation darstellt.

Spitzenleistung vs. Durchschnittsleistung

Aber was bedeutet das für die Spitzenleistung? Wie kann eine Stromversorgung, die unter ungünstigsten Dauerlastbedingungen betrieben wird, gleichzeitig kurzfristige Überlastspitzen bewältigen? Das Schlüsselwort ist hier „Worst-Case“. Im Normalbetrieb liegt die Last in der Regel unter diesem Leistungsbedarf. Wird der Wandler kontinuierlich mit der Worst-Case-Last betrieben, kann er diesen Leistungspegel problemlos bewältigen, während die tatsächliche Last in der Praxis meist geringer ist. Dies verschafft dem Wandler einen gewissen thermischen Spielraum, um auch kurzfristige Überlastspitzen oberhalb der Dauerlast zu verkraften.

Das Datenblatt des RAC05-SK/277 enthält beispielsweise eine Berechnung zur Bestimmung der Spitzenlastfähigkeit (Abbildung 3):
Formel zur Berechnung der Spitzenlast
Abb. 3: Berechnung der Spitzenlast (aus dem Datenblatt)
Eine wichtige Kenngröße ist hier PP - die Spitzenausgangsleistung. Der RAC05-SK/277 hat eine Nennausgangsleistung von 5W, kann jedoch bis zu 6W liefern, ohne dass der Überlastschutz anspricht.

Bei Überlasten unter 120% der Nennlast ist die interne Temperatur der Bauteile im Wandler der begrenzende Faktor. Wenn der Wandler zwischen den Überlastereignissen ausreichend Zeit zum Abkühlen erhält, kann er wiederholte oder zyklische Überlasten verkraften und dennoch eine stabile Ausgangsspannung liefern.

Für sehr kurze und hohe Überlasten kann ein externer Ausgangskondensator eingesetzt werden, um den erforderlichen Spitzenstrom bereitzustellen und zu verhindern, dass der Wandler in den Überlastschutz geht. Dies ist besonders nützlich für Anwendungen wie drahtlos verbundene Mikrocontroller, bei denen die Stromspitzen während der Übertragungsbursts sehr kurz sind und hohe Ströme auftreten, während die durchschnittliche Leistungsaufnahme deutlich geringer ist (Abbildung 4). In diesem Fall kann die Stromversorgung auf Basis der Durchschnittsleistung und nicht der Spitzenleistung ausgelegt werden.

Diagramm des Stromverbrauchs im Zeitverlauf

Abb. 4: Ein typisches Stromverbrauchsprofil für einen WLAN-fähigen Mikrocontroller

Bis zu diesem Punkt wurden AC/DC-Wandler betrachtet, jedoch können auch DC/DC-Wandler auf diese Weise analysiert werden. Der Unterschied besteht darin, dass DC/DC-Wandler für den Dauerbetrieb im Bereich von 80% bis 100% ihrer Ausgangsleistung ausgelegt sind und ihre Wirkungsgradkurve bei deutlich geringeren Lasten schneller abfällt. Daher führt ein Betrieb bei niedrigem Ausgangsstrom nicht zwangsläufig zu einer deutlich geringeren Temperatur. Im Allgemeinen sollte die Verwendung eines 10W DC/DC-Wandlers bei einer 5W-Last vermieden werden, es sei denn, der erforderliche Betriebstemperaturbereich kann nur durch Leistungsderating eingehalten werden.

Die RS12-Z Serie liefert beispielsweise 12W isolierte Leistung in einem kompakten SIP8-Gehäuse (21,8mm × 9,6mm). Mit natürlicher Konvektionskühlung und einer nominalen 24V-Versorgung kann ein RS12-Z-Wandler bei voller Leistung bis zu 75°C betrieben werden. Durch ein Derating auf 50% Last ist ein Betrieb im industriellen Temperaturbereich von -40°C bis +85°C möglich. Die Halbierung der Last erweitert den Umgebungstemperaturbereich jedoch nur um etwa +10°C, da der Wandler nicht mehr im optimalen Wirkungsgradbereich arbeitet. Dennoch sind selbst 6W in einem SIP8-Gehäuse mit rein natürlicher Konvektionskühlung im gesamten industriellen Temperaturbereich leistungsfähiger als vergleichbare Lösungen, die für die gleiche Ausgangsleistung eine forcierte Luftkühlung benötigen.

Überstromschutz in Stromversorgungen

Gate-Ansteuerungsschaltung mit Transformator und FET
Abb. 5: Einfacher Überstromschutz. Wenn die Spannung am Shunt-Widerstand 0,7V überschreitet, schaltet sich der NPN-Transistor ein und deaktiviert die Gate-Ansteuerung des Leistungs-FET.
Viele kosteneffiziente AC/DC- und DC/DC-Wandler verfügen über eine einfache Überstromschutzschaltung, die auf der Messung des Spannungsabfalls über einen internen Shunt-Widerstand basiert (Abbildung 5).

Solche internen Schutzschaltungen sind einfach aufgebaut und als Kurzschlussschutz sehr wirksam, weisen jedoch eine große Streuung der Überstromgrenze auf, da der Auslösepunkt stark von der Toleranz des Shunt-Widerstands und der VBE-Schwellenspannung des NPN-Transistors abhängt. Die Bauteilwerte sind so ausgelegt, dass der Überstromschutz bei 100% Last über den gesamten Betriebstemperaturbereich nicht auslöst. Dadurch ergibt sich eine hohe Überlastfähigkeit bei Raumtemperatur, typischerweise bis zu 140% der Nennausgangsleistung. Solche Wandler können zuverlässig bei kontinuierlicher Volllast betrieben werden und verfügen dennoch über ausreichend Spielraum, um Überlastbedingungen zu bewältigen.

Eine Ausnahme bilden DC/DC-Schaltregler, die in der Regel mit höherer Schaltfrequenz arbeiten, um die Bauteilgröße zu reduzieren. Bei einem Abwärtswandler führt eine höhere Frequenz sowohl zu einer kleineren Ausgangsinduktivität als auch zu einem kleineren Ausgangskondensator, wodurch jedoch geringere interne Energiereserven für plötzliche Spitzenüberlasten zur Verfügung stehen. Der Shunt-Widerstand ist meist auf demselben Wafer wie der Controller-IC integriert und weist eine deutlich engere Toleranz auf, was zu geringeren Schwankungen der Überstromgrenze führt.

Außerdem verwenden die meisten Schaltregler eine zyklusweise Strombegrenzung, die auf einem präzisen Komparator basiert, anstatt sich auf eine ungenaue VBE-Schwellenspannung zu verlassen. Dadurch schalten sie nahezu sofort ab, wenn der Grenzwert für den Überstrom- oder Kurzschlussschutz erreicht wird. DC/DC-Schaltregler sollten daher so ausgelegt werden, dass sie die maximalen Spitzenlastbedingungen und nicht die Durchschnittslast sicher bewältigen können.

Fazit

Die Überspezifizierung eines AC/DC- oder DC/DC-Wandlers zur Abdeckung kurzzeitiger Spitzenlasten, als ob es sich um einen Dauerbetrieb handelt, ist ineffizient und kann zu einer überdimensionierten Stromversorgung führen. Wenn die durchschnittlichen, ungünstigsten und Spitzenlastbedingungen der Anwendung bekannt sind, lässt sich eine optimale Lösung auswählen, die eine zuverlässige Versorgungsspannung bei geringeren Kosten ermöglicht. Unsere Ingenieure im technischen Support oder unser technisches Verkaufsteam unterstützen Sie gerne bei der Auswahl der passenden Lösung für Ihre Anwendung.
  Serie
1 RECOM | RAC05-K/277 Series | AC/DC, THT, 5W, Single Output
Fokus
  • Wide input range 85-305VAC
  • Standby mode optimized (eco design Lot 6)
  • Overvoltage category OVC III (2000m)
  • Operating temperature range: -40°C to +90°C
2 RECOM | RAC10-K/277 Series | AC/DC, THT, 10W
Fokus
  • Wide input range 85-305VAC
  • Operating temperature range: -40°C to +80°C
  • High efficiency over entire load range
  • No external components necessary
3 RECOM | RS12-Z Series | DC/DC, THT, 12W, Single Output
Fokus
  • 12W in SIP8 package
  • 3kVDC isolation
  • 4:1 input voltage range
  • Operating temperature from -40°C to +75°C with no derating and convection cooling only