Bewertung der Zuverlässigkeit von redundanten Stromversorgungs-Konfigurationen
6. Mai 2024 von Bruce Rose – Lesezeit: 5 Minuten
Wie in einem kürzlich erschienenen CUI-Blogbeitrag erwähnt, kann die Zuverlässigkeit eines Stromversorgungssystems erhöht werden, indem die Ausgänge von Netzteilen entweder parallel oder redundant geschaltet werden. Im vorigen Artikel ging es um parallele Ausgangskonfigurationen und in diesem Artikel werden wir redundante Stromversorgungskonfigurationen besprechen.
Überprüfung von parallel geschalteten Stromversorgungskonfigurationen und Zuverlässigkeit
Ein kurzer Überblick: Wenn Stromversorgungen parallel geschaltet und betrieben werden, kann die Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems aufgrund der vielen Stromversorgungen entweder erhöht oder verringert werden. Die daraus resultierende Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems hängt von der Leistungsdichte ab, mit der die Stromversorgungen betrieben werden. In dem Artikel wurde auch erwähnt, dass in einem parallel konfigurierten Stromversorgungssystem der Ausfall einer einzigen Stromversorgung den Ausfall des gesamten Stromversorgungssystems verursachen kann.
Im vorangegangenen Artikel haben wir auch erörtert, dass die FIT-Rate (Ausfälle pro Zeit, Failure In Time) des Systems für eine hohe Zuverlässigkeit (hohe MTBF, mittlere Zeit zwischen Ausfällen, Mean Time Between Failures) niedrig sein sollte. Es wurde auch besprochen, wie die Parallelschaltung von Stromversorgungen die FIT-Rate des Systems erhöhen und damit die MTBF des Systems verringern kann.
Redundant konfigurierte Stromversorgungssysteme
Im Gegensatz zu einem parallel konfigurierten Stromversorgungssystem funktioniert das Stromversorgungssystem in einem ordnungsgemäß konzipierten redundanten Stromversorgungssystem auch dann noch ordnungsgemäß, wenn eine oder mehrere der Stromversorgungen ausfallen. Ein redundantes Stromversorgungssystem ist so konzipiert, dass bei einem Ausfall eines Netzteils (die Ausgangsspannung überschreitet den zulässigen Betriebsbereich) die ausgefallene Versorgung elektrisch aus dem System entfernt und eine Ersatzversorgung elektrisch in das System eingesetzt wird. In vielen redundanten Systemen gibt es eine Benachrichtigung, dass die Versorgung ausgefallen ist, und die defekte Versorgung kann dann physisch ersetzt werden. Bei der Entwicklung eines redundanten Stromversorgungssystems sollten Stromversorgungen verwendet werden, die einzeln eine für die Lastleistung ausreichende Ausgangsleistung und eine für die Systemanforderungen akzeptable Zuverlässigkeit aufweisen.
Redundante Stromversorgungssysteme in 1+N-Konfigurationen
Die einfachste redundante Stromversorgungskonfiguration ist eine 1+1-Topologie. In einer 1+1-Konfiguration sind zwei Stromversorgungen so konfiguriert, dass eine Versorgung die Last normalerweise mit Strom versorgt und die zweite Versorgung elektrisch zugeschaltet wird, um die Last mit Strom zu versorgen (und die erste Versorgung elektrisch ausgeschaltet wird), wenn ein Ausfall der ersten Versorgung festgestellt wird. Die Zuverlässigkeit eines Stromversorgungssystems mit einer redundanten 1+1-Konfiguration ist die Summe der Zuverlässigkeiten jeder einzelnen Versorgung. Bei vielen Anwendungen ist es sinnvoll, dass ein Reparaturdienst die ausgefallene Stromversorgung kurz nach der Entdeckung des Fehlers austauschen kann, um einen zuverlässigen Systembetrieb zu gewährleisten. Ein System mit mehreren redundanten Stromversorgungen (1+N-Konfiguration) kann bei Anwendungen erforderlich sein, bei denen entweder die Unterstützung durch einen Reparaturdienst schwer zu gewährleisten ist oder der kontinuierliche Betrieb des Stromversorgungssystems unbedingt erforderlich ist. Ein redundantes 1+N-System ist wie ein redundantes 1+1-System, jedoch mit mehreren redundanten Stromversorgungen, sodass bei einem Ausfall von mehr als einer Stromversorgung mehrere andere Stromversorgungen als Ersatz zur Verfügung stehen.
Redundante N+1-Konfigurationen
Eine N+1-Konfiguration wird oft als redundante Topologie bezeichnet, ist aber stattdessen eine komplexe Mischung aus parallelen und redundanten Topologien. Bei dieser Konfiguration werden mehrere Stromversorgungen mit den Ausgängen parallel geschaltet und eine zusätzliche Versorgung wird in eine Standby-Konfiguration versetzt, um eine der parallelen Versorgungen zu ersetzen, wenn diese ausfällt.
In einer N+1-Stromversorgungskonfiguration muss ein Verfahren eingesetzt werden, das eine ausgeglichene Stromaufteilung zwischen den N aktiven Stromversorgungen gewährleistet, genau wie bei einer Konfiguration mit parallelen Ausgängen. Für den +1-Redundanzbetrieb ist ein Verfahren erforderlich, um den Ausgang der fehlerhaften Versorgung zu trennen, den Ausgang der redundanten Versorgung anzuschließen und die redundante Versorgung so zu steuern, dass sie den Ausgangslaststrom des Stromversorgungssystems ordnungsgemäß teilt.
Schalter zur Erstellung redundanter Konfigurationen
Passive Dioden
Eine der einfachsten Methoden zur Implementierung einer redundanten Stromversorgung besteht darin, passive Schalter (Dioden) mit den Ausgängen von zwei Stromversorgungen in Reihe zu schalten und dann die Kathoden der Dioden miteinander zu verbinden, was als Dioden-ORing bezeichnet wird.
Der passive Dioden-ORing ist zwar eine kostengünstige Lösung für die Schaffung eines redundanten Stromversorgungssystems, aber es gibt auch einige Herausforderungen. Wenn die Versorgungen, Dioden, Layouts und Betriebsumgebungen identisch sind, teilen sich die beiden Versorgungen den Laststrom gleichmäßig, was bei einer redundanten Stromversorgungskonfiguration nicht erwünscht ist. Es sollte ein Verfahren implementiert werden, das bewirkt, dass die gesamte Ausgangsleistung von der primären Versorgung geliefert wird und keine von der redundanten Versorgung, bis es zu einem Ausfall der primären Versorgung kommt. Die Qualität der Ausgangsspannungsregulierung in einer Dioden-ORing-Konfiguration verschlechtert sich, wenn die Spannung an der Kathode der ORing-Diode nicht per Fernabfrage gemessen wird.
Ein weiteres Problem beim Einsatz eines passiven Dioden-ORings für redundante Stromversorgungen ist der Leistungsverlust in der ORing-Diode, der die Umwandlungseffizienz der Stromversorgung beeinträchtigt.
Aktive FET-Schalter
Ein anderes Verfahren zur elektrischen Isolierung redundanter Stromversorgungen ist die Verwendung aktiver Schalter (FETs) anstelle von Dioden, die mit den Ausgängen der Stromversorgungen in Reihe geschaltet werden. Der Hauptunterschied und Vorteil der Verwendung von FETs besteht darin, dass die FETs so ausgewählt werden können, dass der durch die FETs verursachte Spannungsabfall und damit der Leistungsverlust viel geringer ist als der durch Dioden verursachte. Der Betrieb der FETs kann auch so gesteuert werden, dass eine Stromversorgung ausgewählt werden kann, um den gesamten Laststrom zu liefern, bis sie abgewählt wird, unabhängig von der relativen Ausgangsspannung der beiden Stromversorgungen. Ein Nachteil der Verwendung von FETs als Isolationsschalter ist, dass Schaltungen implementiert werden müssen, um den Betrieb der FETs zu steuern. Es ist zu beachten, dass Silizium-Leistungs-FETs parasitäre Body-Dioden enthalten, die zwischen Source und Drain des FETs geschaltet sind. In einigen Anwendungen können zwei FETs hintereinander geschaltet werden, sodass die Konfiguration der beiden Body-Dioden dazu dient, den Stromfluss in beide Richtungen zu blockieren, wenn die FETs nicht auf EIN konfiguriert sind.
Unabhängig davon, ob Sie Dioden oder FETs verwenden, muss der Nennstrom der Isolationsschalterkomponenten groß genug sein, um sicherzustellen, dass sie den Ausgangsstrom der Stromversorgung leiten können, ohne beschädigt zu werden.
Zusammenfassung
Jetzt ist hoffentlich klarer, dass zwei Stromversorgungen in einer redundanten 1+1- oder 1+N-Konfiguration betrieben werden können, um einen unterbrechungsfreien Stromversorgungsbetrieb zu gewährleisten. Das Konzept der N+1-Redundanz ist die Verschmelzung von Parallelbetrieb und redundantem Betrieb und erfordert die für beide Situationen geltenden Designüberlegungen.
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Bruce Rose
Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.