Schaltnetzteile
Wirkungsgrad genau ermitteln
Endsystemhersteller fragen zunehmend nach Stromversorgungen, deren Datenblätter nicht nur einfach mit einem hohen Nennwert für den Wirkungsgrad werben, sondern die über den gesamten typischen Lastbereich ihrer Produkte einen guten Wirkungsgrad aufweisen. Welche Folgen hat es denn eigentlich, wenn bei der Messung des Wirkungsgrads eine - normgerechte - Genauigkeit von ±1% eingehalten wird? Und warum sollte man bei hohen Wirkungsgraden genauer hinsehen?
Es ist gebräuchlich, den Wirkungsgrad eines Produkts an bestehenden Normen wie etwa »80 Plus« zu messen, selbst wenn diese Normen für die letztendliche Anwendung gar nicht eingehalten werden müssen. Die Spezifikation 80 Plus beispielsweise fordert, die Ein- und die Ausgangsleistung jeweils mit 0,5% Genauigkeit zu messen, sodass sich der Wirkungsgrad mit einer Genauigkeit von ±1% bestimmen lässt. Doch welche Auswirkung hat es in der Praxis, wenn man bei Netzteilen mit verschiedenen Wirkungsgraden diese 1% Schwankung betrachtet?
Betrachten wir den ersten Eintrag in Tabelle 1, ein Netzteil mit 80% Wirkungsgrad: Aus ±1% Schwankung beim Wirkungsgrad ergeben sich gut ±1,5 W Unterschied bei der Eingangsleistung - eine völlig vertretbare Schwankung.
| Nennwirkungs- grad | Nenneingangs- leistung | tatsächlicher Wirkungsgrad | tatsächliche Eingangsleistung | Differenz |
|---|---|---|---|---|
| 80 % |
125 W |
79 %; 81 % |
126,58 W; 123,45 W |
3,13 W |
| 90 % |
111 W |
89 %; 91 % |
112,36 W; 109,89 W |
2,47 W |
| 95 % | 105 W | 94 %; 96 % | 106,38 W; 104,17 W | 2,21 W |
Tabelle 1: Auswirkung von Wirkungsgrad-Änderungen auf die Eingangsleistung eines 100 W-Netzteils
Wenn der Wirkungsgrad auf 90% oder 95% steigt, liegt die Abweichung bei gut ±1 W - ziemlich ordentlich bei der Eingangsleistung. Ganz anders liest sich die Sache plötzlich, wenn wir uns in Tabelle 2 anschauen, welche Auswirkung ±1% Schwankung beim Wirkungsgrad auf die Verlustleistung und, dadurch bedingt, auf die Temperatur im Netzteil und seine Umgebung hat.
| Wirkungsgrad | Verlust in der Stromversorgung | Schwankung der Verlust- leistung bei 2 % (± 1 %) Änderung des Wirkungsgrads | Bauteil aktivieren durch | Strom- verbrauch |
|---|---|---|---|---|
| 80 % |
25 W |
13 % |
externen Interrupt, Pin-Änderung oder Watchdog-Timer |
5 µA |
| 90 % | 11 W | 25 % | Jede Peripherie kann die CPU aktivieren | 0,7 mA |
| 95 % |
5 W |
52 % |
immer aktiviert |
5 mA |
Tabelle 2: Auswirkung von Wirkungsgradänderungen auf die Verlustleistung eines 100-W-Netzteils
Hier weist das Netzteil mit 80% Wirkungsgrad eine Verlustleistung von 25 W auf; bei einem typischen Gerät wird dies bei Volllast zu einem Temperaturanstieg um etwa 50 K führen. Eine Wirkungsgradmessung mit ±1% Genauigkeit dürfte daher zu einer Schwankungsbreite von 13% oder ±6,5 K führen, was völlig in Ordnung geht. Allerdings führen dieselben ±1% Genauigkeit der Wirkungsgradbestimmung beim Netzteil mit 90% Wirkungsgrad schon zu ±25% Schwankungsbreite und somit mehr als ±10 K - und dies kann die Lebensdauer der Elektrolytkondensatoren bereits halbieren und signifikante Auswirkungen auf die Endanwendung haben.
Noch kritischer wird es bei Wirkungsgraden über 90%. Wenn ein Ingenieur für eine Applikation ein Netzteil mit 96% Wirkungsgrad verwenden und dann versuchen würde, stattdessen ein Netzteil mit 94% einzusetzen, könnte dies leicht zu Problemen aufgrund von Temperaturunterschieden von über 20 K führen. Bei solch hohen Wirkungsgradwerten wird es also immer wichtiger, dass Entwickler die Performance eines Netzteils verifizieren, bevor sie es für die Anwendung freigeben. Aber auch hier gilt es aufzupassen.
Genauigkeit der Messausrüstung
Bei der Messung an Netzteilen wird der Wirkungsgrad typischerweise mit einem AC-Power-Analyzer ermittelt. Dieser bestimmt Eingangsspannung und -strom, Leistungsfaktor sowie Leistung. Die Spezifikation eines typischen AC-Power-Analyzer sieht sehr vielversprechend aus - mit Nennwerten unter 0,1% -, aber es gibt weitere Faktoren wie die Größe des zu messenden Signals relativ zum Messbereich, und auch die Signalfrequenz kann die letztendliche Messgenauigkeit reduzieren. Vielleicht noch interessanter ist, wie die Ausgangsleistung gemessen wird.
Bei Einsatz eines Digital-Multimeters lassen sich Spannungen sehr genau messen. Typischerweise sind aber Strommessungen häufig nicht so genau, weil sie vom Bereich abhängen; eine genauere Messung lässt sich hier oft erzielen, indem man statt des Stroms den Spannungsabfall über einem kalibrierten Messwiderstand (Shunt) misst (siehe Tabelle 3).
| Equipment | Spannung | Strom | Leistung | Differenz |
|---|---|---|---|---|
| AC-Power-Analyzer |
0,1 % + 0,1 % des Endwerts + 0,1 %/kHz |
0,1 % + 0,1 % des Endwerts + 0,2 %/kHz |
0,2 % + 0,2 % des Endwerts |
3,13 W |
| Digital-Multimeter | 0,02 % | 0,02 % bis 3 % | n/a | 2,47 W |
| 95 % |
105 W |
94 % 96 % |
106,38 W 104,17 W |
2,21 W |
Tabelle 3: Genauigkeit der Messausrüstung
Daneben ist es wichtig zu wissen, dass Digital-Multimeter zum Messen eine Sampling-Technik einsetzen, deren Abtastfrequenz und -algorithmus aber leider selten in der Produktdokumentation genannt wird - und so können zwei oder drei Messgeräte von verschiedenen Herstellern leicht deutliche Unterschiede im Messergebnis aufweisen. Nehmen wir zum Beispiel den Rauschanteil, den das Ausgangssignal eines Netzteils enthalten kann.
Bild 1 zeigt den Ausgangsstrom (Spannungsabfall über einem kalibrierten Messwiderstand) eines 10-W-Netzteils. Es ist gut zu erkennen, dass das Signal keine reine Gleichspannung ist, sondern auch einen niederfrequenten sowie einen Rauschanteil mit Frequenzen jenseits von 10 MHz aufweist.
Für die Wirkungsgradmessungen zum Digitalnetzteil »CFE400M« von TDK-Lambda kam eine Reihe von Techniken zum Einsatz, um die Messgenauigkeit zu verbessern (Bild 2).
So wurden sowohl für die Messung des Eingangs- als auch des Ausgangsstroms extern kalibrierte Strommesswiderstände verwendet sowie ein RC-Filter, um das Rauschen zu minimieren und so das nicht spezifizierte Filterverhalten der Messgeräte zu eliminieren.
Hierdurch ließ sich die Eingangsleistung mit einer Genauigkeit im Bereich von ±0,4%, der Ausgangsstrom mit etwas über ±0,1% und die Ausgangsspannung mit ±0,02% messen. Die Wirkungsgradmessung erhielt dadurch eine Genauigkeit von ±0,5%.
Bild 3 zeigt den gemessenen Wirkungsgrad - die blaue Linie gibt den Messwert wieder, aber der tatsächliche Wirkungsgrad liegt irgendwo zwischen der Min- und der Max-Linie, also zwischen 93% und 94% im oberen Bereich der Kurve. Der Wirkungsgrad des CFE400M bewegt sich auf einem Niveau, auf dem der direkte Vergleich von Wirkungsgradwerten schwierig ist, weil die Ergebnisse so empfindlich gegenüber Messungenauigkeiten sind.
Ein Entwickler kann daher durchaus zu dem Schluss kommen, dass der von ihm gemessene Wirkungsgrad dieses oder eines ähnlichen spezifizierten Geräts von den Angaben im Datenblatt abzuweichen scheint - was aber schon allein durch die angewandte Messmethodik verursacht werden kann. Ebenso können beim Vergleich verschiedener Produkte Messungenauigkeiten beträchtliche Unsicherheiten verursachen. Gerade bei hohen Wirkungsgraden ist also ein besonderer Fokus auf die genannten Faktoren zu legen, um ein zuverlässiges und leistungsstarkes Gesamtsystem auf den Markt zu bringen.
Über den Autor:
Andrew Skinner ist Chief Technology Officer bei TDK-Lambda UK.
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