Ein Rückstromschutz verhindert einen solchen durch Rückströme bedingten Ausfall und ermöglicht es den intakten Netzteilen, den Gleichstrombus aufrechtzuerhalten oder im Falle eines Überstroms ordnungsgemäß abzuschalten. Ein Power-O-Ring ist die bevorzugte Rückstromschutzmethode zum Schutz paralleler Gleichstromversorgungen. Diese O-Ring-Schaltung bündelt den Strom aus mehreren Netzteilen und verhindert gleichzeitig jeglichen Rückstrom.
Seit Jahrzehnten verlassen sich Ingenieure auf Schottky- oder P-N-Dioden für den Rückstromschutz. Da jedoch der Strombedarf steigt und die Effizienzziele in der Telekommunikation, in Rechenzentren und in der industriellen Gleichstromverteilung immer anspruchsvoller werden, greifen Entwickler zunehmend auf effizientere aktive O-Ring-Lösungen zurück, die auf MOSFETs und idealen Dioden-Controllern basieren.
Dioden-O-Ring: Einfaches Design mit hohen Leitungsverlusten
Bei einer Dioden-O-Ring-Schaltung wird eine Diode in Reihe mit jedem Source-Anschluss geschaltet, wobei die Kathoden am gemeinsamen Ausgang verbunden sind. Jede Diode leitet, wenn ihre Source-Spannung der Busspannung entspricht oder diese übersteigt, und sperrt den Rückstrom, wenn ihre Source-Spannung unter die Busspannung fällt. Diese einfache Schaltung funktioniert gut in Systemen mit geringem Stromverbrauch und in Systemen, bei denen die Kosten eine wichtige Rolle spielen.
Der Nachteil ist der Leistungsverlust. Schottky-Dioden weisen bei Nennstrom typischerweise einen Vorwärtsspannungsabfall von 0,35V bis 0,6V auf. P-N-Dioden können einen Spannungsabfall von mehr als 1V aufweisen. Dieser Spannungsabfall führt zu einem direkten Leistungsverlust. Bei 10A beispielsweise verbraucht eine 0,45V-Schottky-Diode 4,5W an einer 5V-Schiene. Das entspricht allein durch die Schutzschaltung einem Wirkungsgradverlust von 9%. Mit steigendem Strom nimmt der Verlust linear zu, was die thermische Belastung erhöht.
Größere Gehäuse, Kupferflächen oder Fremdbelüftung werden notwendig, um die Sperrschichttemperaturen unter Kontrolle zu halten. Jede Maßnahme zur Verringerung der thermischen Belastung erhöht die Kosten, beansprucht Platz auf der Leiterplatte und fügt potenzielle Fehlerquellen hinzu. Darüber hinaus bieten Dioden-O-Ring-Lösungen nur begrenzte oder gar keine Diagnosemöglichkeiten, da ein beschädigtes oder kurzgeschlossenes Bauteil in der Regel unentdeckt bleibt, bis der redundante Stromversorgungspfad benötigt wird.
Aktiver O-Ring: MOSFET-basierter Rückstromschutz
Bei der aktiven O-Ring-Schaltung wird jede Diode durch einen N-Kanal-MOSFET ersetzt, der von einem idealen Dioden-Controller angesteuert wird. Der Controller überwacht die Drain-Source-Spannung (VDS) und hält den MOSFET vollständig eingeschaltet, solange seine Source Strom liefert. Bei einem Rückstromfehler schaltet er ihn schnell ab.
Der Leistungsverlust des MOSFETs resultiert aus seinem RDS(on)-Parameter und nicht aus einem spezifischen Spannungsabfall über der Diode. Daher wird der Leitungsverlust drastisch gesenkt. Beispielsweise verbraucht ein Leistungs-MOSFET mit einem RDS(on) von 3mΩ, der die gleichen 10A wie die Schottky-Diode führt, nur 0,3W und erzeugt einen Vorwärtsspannungsabfall von etwa 30mV. Das ist eine Verbesserung um mehr als eine Größenordnung. Geringere Leitungsverluste verbessern direkt den thermischen Spielraum, was die Anforderungen an Kühlkörper und Luftstrom verringert, Platz auf der Leiterplatte schafft, die Spannungsregelung verbessert und eine höhere Strombelastbarkeit ermöglicht. Aktive O-Ring-Schaltungen ermöglichen zudem eine automatische Fehlererkennung und die Auslösung eines Alarmsignals.
Die wichtigsten Vorteile von aktiven O-Ring-Schaltungen
- Deutlich geringerer Spannungsabfall
- Automatische Fehlererkennung und Auslösung eines Alarm-Signals
- Überlegene thermische Leistung
Ideale Dioden-Controller für effizientes Power-Path-Management
Der ideale Dioden-Controller ist für jede aktive O-Ring-Lösung von entscheidender Bedeutung. Er ahmt ein nahezu perfektes Diodenverhalten nach, indem er das Gate des MOSFET so steuert, dass ein minimaler Vorwärtsspannungsabfall (typischerweise 15mV bis 30mV bei geringer Last) erzielt wird. Die meisten aktiven O-Ring-Controller, darunter die Baureihe
RACPRO1-RD series von RECOM, zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:
- Schnelle Erkennung von Rückströmen und Abschaltung (typischerweise 100 bis 200ns)
- Geringer Vorwärtsspannungsabfall (typischerweise 15mV bis 140mV)
- Unter- und Überspannungsschutz
- Statusausgänge und Rückstrom-Fehlersignale
- Optionale periodische Zustandsprüfungen des MOSFETs
Die kurze Reaktionszeit sorgt für ein robustes Verhalten bei einem plötzlichen Stromausfall, Hot-Plug-Ereignissen und nachgeschalteten Fehlern. Eine aktive O-Ring-Schaltung bietet schnellen, effizienten Schutz mit Diagnosefunktionen und geringeren Verlusten als ein Dioden-O-Ring.
Aktive O-Ring-Schaltung und Dioden-O-Ring im Direktvergleich
| Vorwärtsspannungsabfall |
0,35V bis 0.6V bei Nennstrom |
15mV bis 140mV, skaliert mit dem Strom |
| Verlustleistung bei 10A |
Etwa 4,5W |
Etwa 0,3W |
| Wärme-Management |
Typischerweise sind ein Kühlkörper und ein Luftstrom erforderlich |
Oft ist eine passive Kühlung ausreichend |
| Abschaltung bei Rückströmen |
Im Bereich von einigen 10 bis einigen100ns |
Etwa 100ns bis 200ns plus Verzögerungen durch den FET |
| Fehlerdiagnose |
Nicht in der Grundschaltung enthalten |
Status-Pin, Flags, optionaler Selbsttest |
| Anzahl der Bauelemente |
Eine Diode pro Source |
Controller + MOSFET pro Kanal, oder eigenständiges Modul (RD40) für jeweils zwei Source-Anschlüsse |
| Am besten geeignget für |
Stromsparende, kostengünstige Niederstrom-Schienen |
Hocheffiziente redundante Hochstrom-Systeme |
Tabelle 1: Vergleich von Dioden-O-Ring und Activer O-Ring-Schaltung.
Auswahl der richtigen Strategie zur Verhinderung von Rückströmen in Gleichstromkreisen
Moderne Rechenzentren, Telekommunikationsanlagen und Industriekomplexe fordern von Stromversorgungen ein Höchstmaß an Effizienz. Bei Hunderten oder Tausenden installierten Einheiten summieren sich die Effizienzvorteile zu erheblichen Energieeinsparungen.. Ein aktiver O-Ring auf MOSFET-Basis ist die richtige Wahl für diese Umgebungen. Für Schwachstrom-Verbraucher- oder Messtechnik-Stromschienen, bei denen Verluste von einigen hundert Milliwatt unerheblich sind und reichlich Platz auf der Leiterplatte zur Verfügung steht, ist eine Schottky-Diode oft immer noch die richtige Lösung.
Das Redundanzmodul RECOM RACPRO-1
Das
RACPRO1 Redundanzmodul integriert ein MOSFET-Paar mit einer als hocheffiziente Gating-Dioden konfigurierten Steuerungsschaltung. Bei 40A verursacht das RACPRO1-RD40 einen Durchlassverlust von ungefähr 5W, verglichen mit einem Verlust von etwa 18W bei einer gleichwertigen Schottky-O-Ring-Schaltung.
Wichtige technische Daten:
- Weiter Eingangsspannungsbereich: 9 bis 56V (nominal 12 / 24 / 48V)
- 20A pro Kanal im N+1-Redundanzbetrieb (wobei eine redundante Versorgung zu N Versorgungen hinzugefügt wird, die alle für Volllast ausgelegt sind)
- 40A Dauerstrom (60A Spitzenstrom für 5s) im parallelen Stromaufteilungsmodus
- Maximaler Vorwärtsspannungsabfall: 140mV bei Volllast
- Etwa 99,5% Wirkungsgrad bei 40A
- Konvektionsgekühlt von -40°C bis +70°C
- Leerlaufleistungsaufnahme von etwa 200 bis 400mW
Das
RACPRO1-RD40-Modul verfügt zudem über eine DIN-Schienenbreite von 43mm, werkzeuglose Montage und 25°-Steckverbinder. Dadurch lässt sich die Redundanzstufe ohne spezielle Kupferkabel, kundenspezifische Befestigungselemente oder eine separate Kühllösung in einen bestehenden Schaltschrank einbauen. Dieses Modul ist nach IEC/EN/UL/CSA 62368-1 zertifiziert und erfüllt die Anforderungen der EN 61000-6-4 Klasse B für Störaussendungen sowie der EN 61000-6-2 für Störfestigkeit.
