Welche Probleme können auftreten, wenn die Eingangsspannung eines Netzteils überschritten wird?

Willkommen bei der ersten Ausgabe unserer neuen Serie mit dem Titel „Die Grenzen ausreizen“. Diese Serie beschäftigt sich mit einer Frage, die wir bei CUI oft zu hören bekommen: „Was passiert, wenn ich mein Netzteil außerhalb eines bestimmten Spezifikationsbereichs betreibe?“ Um diese Frage zu beantworten, werden wir die allgemeinen Stromversorgungsspezifikationen prüfen und die möglichen Nachteile und Fehler aufzeigen, die beim Betrieb eines Netzteils außerhalb seiner spezifizierten Grenzen auftreten können. In Teil 1 dieser Serie besprechen wir die möglichen Probleme, die auftreten können, wenn sich die Eingangsspannung über den zulässigen Bereich einer Stromversorgung hinaus bewegt.

Lesen Sie Teil 2 unserer Serie „Die Grenzen ausreizen“ über den Ausgangsstrom
Lesen Sie Teil 3 unserer Serie „Die Grenzen ausreizen“ über die Betriebstemperatur

Eingangsspannungsgrenzen

Überall auf der Welt kann die verfügbare Netzspannung und die damit verbundene Stabilität stark variieren. Daher ist es schwierig, eine Stromversorgung zu entwickeln, die den Eingangsbereichsbedarf aller Anwendungen erfüllt. Die Annahme, dass die Eingangsspezifikation eines Netzteils „nahe genug“ an der gewünschten Betriebsspannung einer Anwendung liegt, kann zu Fehlern führen, wenn das Netzteil tatsächlich außerhalb seiner Grenzen betrieben wird. Diese Fehler können entweder als Komponenten-, System- oder Spezifikationsfehler definiert werden. Und jeder dieser Fehler beeinträchtigt das Netzteil und die Systemleistung auf unterschiedliche Weise.

Überschreiten der Eingangsspannungsgrenzen – Komponentenfehler

Komponentenfehler treten auf, wenn eine Komponente beschädigt ist und/oder nicht mehr wie vorgesehen funktioniert. Das Anlegen einer Spannung, die die maximale Betriebsspannung einer Komponente übersteigt, ist eine einfache Möglichkeit, eine Komponente zu beschädigen. Viele Komponenten, die über den Eingang gesetzt werden, wie z. B. die X-Kondensatoren, Metalloxidvaristoren (MOV) und Brückengleichrichter, lassen sich leicht als Spannungsbelastung identifizieren. Wenn die Eingangsspannung die maximale Betriebsspannung dieser Komponenten überschreitet, kann ihr spezifischer Fehlermodus zu einigen verschiedenen Szenarien führen. Zum Beispiel öffnen X-Kondensatoren, die aus Sicherheitsgründen mit einem Kurzschluss ausfallen sollen, wahrscheinlich die Sicherung, wodurch das Netzteil funktionsunfähig bleibt. Wenn jedoch Y-Kondensatoren, die offen ausfallen sollen, mit einem Kurzschluss ausfallen, kann die Stromversorgung weiter betrieben werden, was zur Stromschlaggefahr für Benutzer führt.

Andere Komponenten, wie z. B. die Sicherung, sind im Falle einer Überspannung schwieriger als störanfällig zu erkennen. Unter normalen Bedingungen erscheint die Sicherung als ein Kurzschluss und ein Anstieg der Spannung zwingt die Sicherung einfach dazu, weniger Strom zu führen. Tritt innerhalb des Netzteils ein Fehler auf, wie z. B. ein Kurzschluss am X-Kondensator, wird die Sicherung geöffnet und der Schaltkreis von der Eingangsquelle getrennt. Wenn jedoch die maximale Spannung der Sicherung überschritten und der X-Kondensator kurzgeschlossen wird, kann die Sicherung die Lichtbogenbildung nicht unterdrücken. Der Schaltkreis wird nicht offen gehalten, was zu einem fortgesetzten Stromfluss durch den ausgefallenen Kondensator führt und sowohl in vor- als auch nachgeschalteten Bereichen Probleme verursacht.

In anderen Fällen steht die Spannungsbeanspruchung im Zusammenhang mit parasitären Komponenten, deren Werte schwer zu bestimmen sind. Der Schalter in einem Sperrwandler verfügt beispielsweise über eine Spitzenspannung, die nicht nur durch die Eingangsspannung bestimmt wird, sondern auch durch die Streuinduktivität und das Windungsverhältnis. In solchen Fällen kann die Spannungsbeanspruchung nicht immer durch einfaches Betrachten des Schaltplans oder der Datenblätter ermittelt werden, sondern muss direkt gemessen werden.

Unterspannungsereignisse können auch Komponentenfehler verursachen. Wenn eine Stromversorgung unterhalb der minimalen Betriebsspannung betrieben wird, steigt der Strom in vielen Komponenten proportional an. Sicherung, Gleichrichter, Schalter und andere Komponenten, die diesen erhöhten Strom führen, werden alle mehr Leistung ableiten, was zu einer erhöhten Temperatur und der Möglichkeit eines Ausfalls führt. Magnetische Komponenten, wie zum Beispiel eine Leistungsfaktorkorrektur-Drossel, führen auch mehr Strom und als Ergebnis wird ihre Induktivität sinken oder vollständig gesättigt. Abhängig von der spezifischen Topologie kann dies zu erhöhtem Spitzenstrom (beschädigt möglicherweise Komponenten wie den Schalter), erhöhter Betriebsfrequenz, verminderter Effizienz oder fehlgeschlagener Stromwandlung insgesamt führen.

Überschreiten der Eingangsspannungsgrenzen – Systemfehler

Wenn Parameter wie die Betriebsfrequenz oder der Tastverhältnisbereich verletzt werden, können sich Systemfehler ergeben, die dazu führen, dass sich die internen Funktionen verschiedener Topologien falsch verhalten. Zum Beispiel variiert ein LLC-Wandler die Betriebsfrequenz, um die Ausgangsspannung zu regeln, wobei die Frequenz umgekehrt proportional zu der Eingangs-Ausgangs-Verstärkung des Wandlers ist. Wenn jedoch die Eingangsspannung abnimmt, nimmt auch die Frequenz ab, um die Verstärkung zu erhöhen und eine konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten. Eine typische Eigenschaft des LLC-Wandlers ist, dass die Verstärkungskurve dieses umgekehrte Verhältnis von Frequenz zu Verstärkung nur bis zu einer bestimmten Frequenz hinunter beibehält. Unterhalb dieser Frequenz wird die Beziehung umgekehrt (d. h., die Verstärkung nimmt mit der Frequenz zu). Wenn die Eingangsspannung bis zu dem Punkt abnimmt, an dem sich die Stromversorgung in diesen Bereich bewegt (bekannt als der kapazitive Bereich), kann die Stromversorgung fehlerhaft arbeiten oder vollständig ausfallen.

Einige nicht isolierte Wandler, einschließlich des Boost-Wandlers, der in einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung verwendet wird, werden nur in einer Richtung, nach oben oder nach unten, umgewandelt. Ein Boost-Wandler gibt nur eine Spannung aus, die über der Eingangsspannung liegt. Wenn ein AC/DC-Netzteil mit Leistungsfaktorkorrektur mit einer Eingangsspannung betrieben wird, die größer als die Ausgabe der Boost-Wandler-Spannung ist, arbeitet der Boost-Wandler nicht und korrigiert den Leistungsfaktor nicht. In ähnlicher Weise kann ein Buck-Wandler, der von einem hohen Eingang zu einem niedrigen Ausgang umwandelt, nicht bei einer niedrigeren Spannung als der Ausgangsspannung arbeiten. Der Buck-Wandler enthält auch einen Schalter, dessen Gate nicht auf Masse bezogen ist, und nutzt als Ergebnis eine Bootstrap-Schaltung, um die Gate-Source-Spannung zum Ansteuern des FET zu erzeugen. Diese Bootstrap-Schaltung ist auf den Schaltvorgang angewiesen, um die Gate-Spannung zu erzeugen. Wenn also die Eingangsspannung zu nahe an der Ausgangsspannung liegt, verhindert die Schaltzeitsteuerung, dass die Bootstrap-Schaltung die Gate-Ansteuerspannung erzeugt, und die Schaltung arbeitet nicht mehr.

Netzteile enthalten auch eingebaute Schutzschaltungen, um den Betrieb unter bestimmten Bedingungen zu verhindern. Dies tritt häufiger bei höheren Leistungspegeln auf, da Ausfälle gefährlicher und/oder teurer sind. Ein Brown-Out-Schutz ist eine Funktion, die üblicherweise in AC/DC-Netzteilen mit höherer Leistung zu finden ist. Sie schaltet die Versorgung ab, wenn die Eingangsspannung unter einen spezifizierten Schwellenwert fällt.

Überschreiten der Eingangsspannungsgrenzen – Spezifikationsfehler

Ein Betrieb außerhalb der Spezifikation führt nicht immer zu einem vollständigen Ausfall, sondern dazu, dass die Leistung des Netzteils außerhalb seiner Spezifikation liegt. Wie bereits erwähnt, führt eine Verringerung der Eingangsspannung zu einem Anstieg des Eingangsstroms, was wiederum zu erhöhten Verlusten und Wärme führt, während der Betriebstemperaturbereich und der Wirkungsgrad verringert werden.

Um die Stromversorgung vor einem katastrophalen Ausfall zu schützen, sind die Steuerungen oft mit einem eingebauten Schutz ausgestattet, um bestimmte Bedingungen zu vermeiden. Diese Schutzfunktionen schalten die Stromversorgung nicht ab, sondern legen stattdessen ein Merkmal auf einem bestimmten Wert fest. Zum Beispiel gibt es im Fall der LLC-Topologie häufig Frequenzgrenzen innerhalb des Controllers. Wie zuvor beschrieben, wird die Schaltfrequenz zunehmen, wenn die Eingangsspannung abnimmt, um eine konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten. Wenn der Controller die Frequenz festlegt, sobald er das Minimum erreicht, beginnt die Ausgangsspannung, zusammen mit der Eingangsspannung abzusinken.

Während die Auswirkung auf die Leistungsspezifikation in bestimmten Fällen wie den oben beschriebenen leicht einzuschätzen ist, sind die Auswirkungen der Eingangsspannung in anderen Fällen schwieriger abzuschätzen. Ein solches Beispiel ist die Beziehung zwischen Eingangsspannung und elektromagnetischen Emissionen (EMI). Ein Betrieb außerhalb des spezifizierten Eingangsspannungsbereichs kann einen großen Einfluss auf die EMI haben und zu einer Nichteinhaltung der einschlägigen Vorschriften führen. Eine hinzugefügte Spannungs- oder Strombelastung kann die Wirksamkeit des EMI-Filters weiter verändern und bei Geräten mit variabler Frequenz den Arbeitspunkt auf ein Niveau ändern, das einen Fehler verursacht.

Fazit

Die Eingangsspannung beeinflusst viele Aspekte einer Stromversorgung, einschließlich der Komponentenspannungen, des Betriebspunkts und der Leistung. Ein Betrieb außerhalb des angegebenen Bereichs kann einen oder mehrere dieser Punkte beeinträchtigen und, wenn zu weit gegangen wird, eine Schutzschaltung oder einen Totalausfall auslösen. Zu wissen, wie weit bei einem Netzteil in eine bestimmte Richtung gegangen werden kann und welche Folgen dies haben wird, erfordert die Kenntnis der internen Komponentenbewertungen und -werte, die dem Benutzer selten zur Verfügung stehen und schwer zu bestimmen sind. Um den sicheren Betrieb eines Netzteils außerhalb seines spezifizierten Eingangsspannungsbereichs zu bestimmen, sollte am besten der Hersteller gefragt werden, der die Risiken identifizieren und/oder die erforderlichen Konstruktionsänderungen vornehmen kann, um den Betrieb auf dem gewünschten Niveau zu ermöglichen.

Kategorien: Prüfung und Fehleranalyse

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