Stromversorgungdesign für maximale Leistung

Bei der Planung der Energieleistung (die in der Regel anhand von Effizienzkennzahlen gemessen wird) liegt der Schwerpunkt auf der Optimierung der Leistung des Energieverbrauchs der Stromversorgung, was bedeutet, dass die Betriebskosten (OPEX) oder im Wesentlichen die Energiekosten im Vordergrund stehen.

Wenn eine Spannungsversorgungslösung nach Formfaktor optimiert wird, kann dies der maximalen Umwandlungseffizienz entgegenstehen, denn es bedeutet, das Design wird mit Blick auf die Investitionsausgaben (CAPEX) optimiert oder man konzentriert sich im Wesentlichen auf Einsparungen bei den Anschaffungskosten, statt die Einsparungen durch Amortisierung zu betrachten, die bei reduzierten operativen Kosten (OPEX) entstehen. Dies kann insbesondere bei Anwendungen ins Gewicht fallen, bei denen die operativen Kosten der Spannungsversorgung die Gesamtbetriebskosten (TCO) dominieren, wie es etwa in einem großen Rechenzentrum der Fall ist. Diese Unterscheidung kann bei Anwendungen entscheidend sein, bei denen die Stromkosten die Gesamtbetriebskosten (TCO) dominieren, wie z.B. in großen Rechenzentren.

Bei ungebundenen Anwendungen können die Energie-OPEX in Form von Kraftstoff, Reichweite und/oder Batterielebensdauer angegeben werden. In der Regel sind diese begrenzten Energiequellen die entscheidenden Faktoren für die Maximierung der Systemleistung.

Daher ist es für Ingenieure unerlässlich, die (manchmal sehr komplexen) Beziehungen zwischen Versorgung, Last und Betriebsumgebung zu verstehen, bevor sie festlegen können, welcher Leistungsfaktor bzw. welche Leistungsfaktoren im Mittelpunkt der Optimierung stehen sollen. Bei Stromversorgungslösungen laufen die meisten Designparameter letztlich auf ein Design für die thermische Leistung hinaus, bei dem die kritischen Komponenten (Halbleiterübergänge, Oberflächentemperaturen des Gehäuses, Temperaturen auf der Leiterplatte) unter den kritischen Temperaturschwellenwerten unter den ungünstigsten Betriebsbedingungen, wie z.B. maximale Eingangsspannung, Volllast und hohe Umgebungstemperatur, gehalten werden.

Wenn die Regulierung der Ausgangsspannung und die Genauigkeit am wichtigsten sind, kann die Optimierung der Leistung des Stromversorgungsregelkreises (Stabilität der Rückkopplungsschleife und Reaktion auf Lasttransienten) Vorrang haben, um sicherzustellen, dass die Stromversorgung nach abrupten Laständerungen oder bei Spannungseinbrüchen und -stößen nicht in einen instabilen/unvorhersehbaren Zustand gerät.

Wenn die Betriebszuverlässigkeit oberste Priorität hat, handelt es sich in der Regel um eine unternehmenskritische Aufgabe, bei der der wichtigste Leistungsindikator die Betriebszeit der Anwendung/des Systems selbst ist. In diesem Szenario können die Systemanforderungen sogar den Verzicht auf die Stromversorgung und andere Geräte erfordern, um die Anwendung so lange wie möglich am Leben zu erhalten, selbst wenn die Betriebsbedingungen außerhalb der Spezifikation liegen. Dies ist ein völlig anderer Ansatz als die Entwicklung von Netzteilen mit integriertem Abschaltschutz für den Fall einer kurzfristigen Überlast, eines Überstroms oder einer Übertemperatur.

Obwohl sie in der Regel nicht als wichtige Engpässe bei der Anwendungsleistung erkannt werden, sind die Leistungs- und Wärmemetriken aufgrund der grundlegenden Physik oft die primären leistungsbegrenzenden Faktoren. Der Grund für die Begrenzung kann die maximale Sperrschichttemperatur eines Leistungshalbleiters oder der maximale Strom des Netzkabels oder einer Leistungsinduktivität sein, aber auf die eine oder andere Weise wird die Leistung letztendlich durch die Leistungs-/Wärmebegrenzung gedrosselt.

Es kann vorkommen, dass die Systemleistung reduziert wird, weil eine thermische Gesamthülle oder thermische Partitionen/Zonen eingehalten werden müssen: Zum Beispiel kann ein Prozessor zusätzliche Millionen von Befehlen pro Sekunde (MIPS) liefern oder ein Funkgerät kann zusätzlichen Headroom haben, um ein HF-Signal weiter zu verstärken, aber dem System fehlen ausreichende Wärmemanagementtechniken, um die zusätzliche Verlustleistung zu berücksichtigen.

Die Stromversorgung wird oft als selbstverständlich angesehen, nicht nur, weil die Komplexität und die besonderen Anforderungen von Stromversorgungslösungen unterschätzt werden, sondern auch in Bezug auf die Verfügbarkeit. Wie bereits im Kommentar zu thermischen Engpässen angedeutet, ist es nicht ungewöhnlich, dass Systeme mit einer erheblichen Lücke zwischen dem Spitzenbedarf der Last und dem, was die Stromquelle bereitstellen kann, entwickelt werden, um Kosten zu sparen oder die Stromversorgung in einen kleineren Raum zu quetschen. Wenn die Herausforderungen der Regelkreissteuerung und des transienten Designs (im Kontext dieses Blogs) vernachlässigt werden, kann eine Leistungslücke auch dann auftreten, wenn die Analyse des Stromversorgungs-Subsystems mit einer zu geringen Sicherheitsspanne durchgeführt wurde und nicht alle Lasten, die über eine gemeinsame Schiene versorgt werden, oder sogar die Zusammenlegung von vorgelagerten Schienen zu größeren Stromversorgungslösungen ausreichend berücksichtigt wurden.

Die meisten Stromversorgungs-Subsysteme umfassen mehrere Ebenen der Spannungsumwandlung von der Offline-(AC-)Spannung über die mittlere Busspannung (typischerweise 48/24/12VDC) bis hin zur Niederspannung für ASICs und andere Logikschaltungen (typischerweise ≤5VDC). In der Regel wird der Effizienz der Leistungsumwandlungslösungen mit Schienen mit niedrigerer Spannung mehr Aufmerksamkeit gewidmet, da der Laststrom mit abnehmender Busspannung tendenziell ansteigt. In solchen Fällen werden die Verlustleistungen dominanter und kritischer für die thermische Gesamtleistung des Systems.

Selbst bei dieser höheren Aufmerksamkeit auf der Lastseite kann es leicht passieren, dass die Auswirkungen der vorgelagerten Stromumwandlungslösungen übersehen werden. Daher ist es unerlässlich, ein interaktives Modell des Energiebudgets eines Systems zu entwickeln, das die Last-Wirkungsgrad-Kurven aller Stromversorgungen und die Gesamteffekte der transienten Leistung berücksichtigt, von der Endlast bis hin zur Offline-Quelle.

Nein, natürlich nicht! Aber auch wenn es mit Nachdruck gesagt wird, kann es sein, dass es einige gegenteilige Wahrnehmungen gibt. Alles in der Welt der Elektronik benötigt Strom - und damit Stromlösungen - und es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Leistung der Stromversorgung und dem Erfolg des Systems/der Anwendung als Ganzes.

In der Regel wird diese Beziehung auf eine stark vereinfachte Art und Weise wahrgenommen (die Stromversorgung schaltet sich ein und das System ist eingeschaltet), wobei die Stabilität der Stromversorgung im Zusammenspiel mit der Last nicht berücksichtigt wird.

Wenn die Last beispielsweise eine höhere transiente Leistung verlangt, als die Stromversorgung bieten kann, kann dies zu einer Instabilität des Regelkreises der Stromversorgung führen, was eine Reihe von negativen Auswirkungen haben kann, wie z.B. schlechte Regelung, Unfähigkeit zum Hochfahren, unerwünschtes Auslösen von Schutzschaltungen, übermäßige elektromagnetische Emissionen oder EMC-Probleme.

Die Lebensfähigkeit einer Stromversorgungslösung hängt genauso vom Umgebungsszenario ab wie der Rest der Systemkomponenten. Es ist nicht ungewöhnlich, dass die volle Nennleistung einer Stromversorgungslösung bei niedrigeren Versorgungsspannungen reduziert wird, was letztendlich durch die oben beschriebenen thermischen Engpässe begrenzt wird.

Darüber hinaus haben wir bereits erörtert, dass mehr verfügbare Leistung nicht zwangsläufig zu einem höheren Verbrauch durch die Last führt, wenn es eine Grenze für die Verlustleistung gibt, die das System praktisch abfedern kann. Mit steigender Höhe nimmt der Luftdruck ab und dadurch wird eine Leistungsminderung notwendig, alle 300m entsprechen ungefähr 1°C Umgebungstemperatur. Darüber hinaus muss der Isolationsgrad für den Betrieb in großen Höhen verstärkt werden, da Niederschlag bei niedrigem atmosphärischem Druck wahrscheinlicher ist. Aus diesem Grund fügt RECOM den Spezifikationen seiner AC/DC-Stromversorgungen eine Angabe zur Betriebshöhe hinzu.

Dennoch gibt es Einsatzszenarien und Stromversorgungsarchitekturen, bei denen absichtlich versucht wird, die Leistung der Stromversorgung von der Systemleistung abzukoppeln. In den meisten Fällen bezieht sich dies auf Anwendungen mit Redundanz, bei denen das Verhältnis zwischen Stromquellenbudget und Systembudget größer als 1:1 ist. Redundante Stromversorgungen, die eine gemeinsamen Lastschiene bedienen, neigen dazu, sich den Strom zu teilen (als Faustregel gilt eine gleichmäßige Aufteilung innerhalb von 10%), was bedeutet, dass eine Stromversorgung weit unter ihrem maximalen Nennausgangsstrom arbeitet.

Die grundlegendste Form der Redundanz ist eine n+1-Konfiguration, bei der zwei (in der Regel identische) Stromversorgungen ein System gemeinsam mit Strom versorgen, obwohl ein einzelnes Gerät in der Lage ist, die volle Last zu liefern. Da die Strombudgets der Systeme typischerweise mit einer gewissen Marge ausgestattet sind, bedeutet dies, dass diese Stromversorgungen mit maximal 30-40% ihres maximalen Ausgangsstroms betrieben werden, selbst wenn das System seinen absoluten Maximalstrombedarf hat. Wenn sowohl die Stromversorgungen als auch das System in diesem Szenario umfassend für die volle Systemleistung ausgelegt und qualifiziert wären, würde sich die nachgewiesene Lebensdauer der Stromversorgungen stark von der des Systems unterscheiden, da die Systemkomponenten effektiv einer doppelt so hohen thermischen Belastung wie die Stromversorgungen ausgesetzt sind.

Ein weiteres kurzes Beispiel für die Disaggregation zwischen Energielösungen und System-/Lastbedarf ist das Szenario der Lastabschaltung/Lastverteilung. Es ist nicht immer pragmatisch, die Energielösungen auf der Grundlage eines Systemleistungsbudgets zu dimensionieren, das aus der Summe der Maxima der Worst-Case-Lastprofile gebildet wird. Selten gibt es einen Fall, in dem alle Lasten gleichzeitig ihre maximale Leistungsaufnahme erreichen, was zu vielen unnötigen Überdimensionierungen führt.

Diese Überlegungen können jedoch manchmal zu einer größeren, teureren und/oder weniger effizienten Stromversorgungslösung führen, als für die Anwendung erforderlich ist. Wenn bekannt ist, dass wichtige Systemlasten gegenphasig sind (Rechen- und Arbeitsspeicher sind ein klassisches Beispiel für wichtige Systemlasten, die dazu neigen, dass die Höhen und Tiefen der Stromwellenformen um 180° zueinander phasenverschoben sind), dann kann eine kleinere Stromversorgungslösung mithilfe von intelligenten Stromverwaltungstechniken (IPM) verwendet werden.

Einige Stromversorgungen sind sogar absichtlich so konzipiert, dass sie kurzzeitig einen Überstromzustand überstehen, ohne sich abzuschalten oder einen Überstromschutz (OCP) zu aktivieren. Ein Beispiel hierfür ist ein System, das mehrere Power-over-Ethernet (PoE)-Ports mit variabler Leistung unterstützt, die kurzzeitig mehr Leistung benötigen, als die Stromversorgungen bereitstellen können (z. B. 120% der Nennlast für <200ms), während die Leistungspegel der einzelnen PoE-Ports ausgehandelt werden. In diesem Fall ist die Stromversorgungen so konzipiert, dass sie solche Ereignisse übersteht, ohne OCP auszulösen, und dennoch einen Kurzschlussschutz (SCP) für längerfristige Überstromereignisse bietet. Das Vorhandensein eines digitalen Steuerkerns, wie z.B. die RACM1200-V Stromversorgung von RECOM, ermöglicht eine einfache Programmierung der Reaktion der Stromversorgung auf solche Ereignisse.