Kosteneffiziente Erfüllung internationaler Standards mit platinenmontierten AC/DC-Netzteilen

Platinenmontierte AC/DC-Netzteile von 3 bis 20 Watt werden in einer wachsenden Vielfalt von Anwendungen eingesetzt, darunter Internet der Dinge (IoT) und industrielles IoT (IIoT), Industrie 4.0, Industrieautomation, audiovisuelle Geräte, Geräte der Informationstechnologie (ITE), intelligente Wohnbereiche/Gebäude, Haushaltsgroßgeräte und Verbrauchergeräte. Es kann zwar verlockend sein, zu versuchen, AC/DC-Netzteile mit geringer Leistungsaufnahme zu entwerfen, aber der Prozess ist komplexer und zeitaufwändiger, als es auf den ersten Blick scheint. Die Designs müssen anspruchsvolle Leistungsanforderungen erfüllen, darunter weite Eingangsspannungsbereiche, Spitzenleistungen und hohe Leistungsdichten. Außerdem müssen sie nach zahlreichen internationalen Normen für Sicherheit, Effizienz, Standby-Leistung und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zertifiziert sein.

Stattdessen können Entwickler kompakte, platinenmontierte AC/DC-Netzteile verwenden, die nach allen relevanten internationalen Leistungsstandards zertifiziert sind, was die Zeit bis zur Marktreife verkürzt. Diese effizienten Stromversorgungen haben einen weiten Eingangsspannungsbereich und können AC- oder DC-Eingänge akzeptieren - für Flexibilität und weltweite Kompatibilität.

Dieser Artikel befasst sich kurz mit allgemeinen Überlegungen zu AC/DC-Stromversorgungsanwendungen. Anschließend werden Beispiele für drei platinenmontierte AC/DC-Leistungswandleroptionen aus der Serie RACxx-K von RECOM Power vorgestellt, wobei die wichtigsten Merkmale und Vorteile der einzelnen Produkte und deren Anwendung aufgezeigt werden.

Kombinationen aus AC/DC-Wandlern

AC/DC-Netzteile können in Reihe oder parallel geschaltet werden, um höhere Leistungen oder einen redundanten Hot-Swap-Betrieb zu ermöglichen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Zwei AC/DC-Wandler können für eine höhere Spannung in Reihe (oben) oder für einen höheren Strom und/oder redundanten Betrieb parallel geschaltet werden (unten). (Bildquelle: RECOM Power)

Parallel geschaltete Netzteile (die untere Konfiguration in Abbildung 1) können verwendet werden, um höhere Ströme oder eine höhere Zuverlässigkeit durch Redundanz zu erreichen. Höhere Ströme sind möglich, wenn beide Netzteile bei oder nahe ihrer vollen Ausgangsnennströme betrieben werden. Die Ausgangsspannung ändert sich nicht, aber der verfügbare Strom wird erhöht, wodurch die Ausgangsleistung gesteigert wird.

Redundante Stromversorgungskonfigurationen verwenden mehrere Netzteile, um die Systemzuverlässigkeit zu erhöhen, nicht um die verfügbare Leistung zu steigern. Redundante Konfigurationen können verschiedene Formen annehmen. In einer Topologie ist das System so konfiguriert, dass es im Normalbetrieb nur von der „primären“ Stromversorgung Strom bezieht und bei einem Ausfall der primären Versorgung automatisch auf die „Backup“-Stromversorgung umschaltet.

N+1-Redundanz ist eine weitere gängige Topologie, um die Zuverlässigkeit der Stromversorgung zu erhöhen. Ein N+1-System besteht aus zwei oder mehr Netzteilen. In Abbildung 1 kann die untere Konfiguration als redundante Architektur mit „N“ = 1 verwendet werden. In diesem Fall läuft jedes der Netzteile im Normalbetrieb mit 50 % der Kapazität, und jedes kann die volle Lastleistung bereitstellen, wenn das andere Netzteil ausfällt.

Anstatt Netzteile parallel zu schalten, um die verfügbare Leistung zu erhöhen, kann diese auch durch Reihenschaltung von Netzteilen erhöht werden (obere Konfiguration in Abbildung 1). In diesem Beispiel haben beide Netzteile die gleiche Ausgangsspannung, V_O, und die Reihenschaltung liefert 2 V_O. Da sich der an die Last abgegebene Strom nicht ändert, verdoppelt eine Verdopplung der Spannung die Wirkleistung.

Beide Konfigurationen in Abbildung 1 enthalten ODER-Dioden zur Isolierung der Ausgänge der Netzteile. Wenn eine der Stromversorgungen ausfällt, schützen die ODER-Dioden das System vor einem katastrophalen Ausfall. Der Nennstrom der ODER-Diode sollte größer sein als der Ausgangsstrom des Netzteils, und die Durchbruchspannung muss größer sein als die Ausgangsspannung des Netzteils.

Überlegungen zum AC/DC-Eingang

Während es mehrere Möglichkeiten gibt, die Ausgänge von zwei oder mehr AC/DC-Stromversorgungen miteinander zu verbinden, um zusätzliche Funktionalität zu erhalten, ist es nicht möglich, die Eingänge von zwei AC/DC-Wandlern zu verbinden, um den Eingangsspannungsbereich zu vergrößern. Aus diesem Grund werden AC/DC-Netzteile mit breitem Eingangsbereich (auch Universaleingang genannt) immer beliebter. Die Absicherung ist auch bei Eingängen von AC/DC-Netzteilen ein wichtiger Aspekt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Normalerweise wird eine einzelne Eingangssicherung verwendet (oben), aber wenn der Eingang nicht gepolt ist, können Sicherungen in beiden Eingangsleitungen platziert werden (unten). (Bildquelle: RECOM Power)

Die Verwendung von zeitverzögerten (trägen) Sicherungen wird generell empfohlen. Sicherungen können an beide Eingangsleitungen angeschlossen werden, wenn der Eingang nicht gepolt ist. Typische Empfehlungen für die Sicherungsgröße für einphasige AC/DC-Netzteile sind 1,5 Ampere (A) für Leistungen unter 40 Watt, 2 A für Leistungen über 40 Watt, aber weniger als 60 Watt, und 3 A für Leistungen von 60 Watt oder mehr.

Wenn das AC/DC-Netzteil einen Erdungsstift (FG) hat, muss dieser mit einem Sicherheitserdungspunkt geerdet werden. Die Ausgangsspannung -V_OUT kann mit FG verbunden werden, wodurch der Ausgang +V_OUT auf Masse referenziert wird. Entwickler sollten kurze, dicke Verbindungsleitungen spezifizieren, um solide Verbindungen zu gewährleisten und elektromagnetische Störungen (EMI) weiter zu reduzieren (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Ausgangsspannung kann mit Erde verbunden werden, um den Ausgang auf Masse zu beziehen. (Bildquelle: RECOM Power)

3 Watt für IoT-, IIoT- und Haushaltsanwendungen

Für Entwickler von IoT-, IIoT- und Haushaltsanwendungen, die eine Leistung von 3 Watt benötigen, bietet RECOM das AC/DC-Netzteil RAC03E-K/277 an, das einen einzelnen, streng regulierten 12-Volt-Gleichstromausgang liefert (andere Modelle sind mit Ausgängen von 3,3 bis 24 Volt DC erhältlich). Diese international zertifizierten Netzteile verfügen über einen erweiterten weiten Eingangsspannungsbereich von 85 bis 305 Volt AC oder 120 bis 430 Volt DC und entsprechen den ErP-Standby-Anforderungen. Die Serie RAC03E-K/277 verfügt über einen weiten Betriebstemperaturbereich und liefert bei natürlicher Konvektionskühlung die volle Ausgangsleistung bei Temperaturen von -30 °C bis +75 °C (mit Ausnahme der Geräte mit 3,3-Volt-Ausgang, die die volle Leistung bis +70 °C liefern) (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Geräte der Serie RAC03E-K/277 bieten einen weiten Betriebstemperaturbereich und liefern die volle Ausgangsleistung bei Temperaturen von -30 °C bis +75 °C (mit Ausnahme der Geräte mit 3,3-Volt-Ausgang, die die volle Leistung bis +70 °C liefern). (Bildquelle: RECOM Power)

Diese Netzteile haben einen Footprint von 1,45 Zoll mal 0,95 Zoll und ein niedriges Profil von 15,4 Millimetern (mm). Mit einer Isolation von 4 kV AC zwischen Eingang und Ausgang sind sie für den weltweiten Einsatz geeignet und erfüllen die folgenden Normen:

• UL/IEC/EN62368-1 (Zertifiziert)
• CAN/CSA C22.2 Nr. 62368-1 (Zertifiziert)
• EN60335-1 (in Vorbereitung)
• EN62233 (in Vorbereitung)
• IEC/EN61558-1/2-16 (in Vorbereitung)
• EN55032/EN55035 (Konform)

10 Watt für Prozessautomatisierung und intelligente Gebäude

Die 140-prozentige Spitzenleistung des 10-Watt-AC/DC-Netzteils RAC10-05SK/277 mit 5-Volt-Gleichstromausgang unterstützt den transienten Leistungsbedarf von Systemen mit induktiven Lasten, hohen Anlaufströmen oder nichtlinearen Lasten, wie z. B. in der Prozessautomatisierung und in intelligenten Gebäudeanwendungen (Abbildung 5). Diese platinenmontierten AC/DC-Stromversorgungen verfügen über internationale Sicherheitszertifizierungen sowohl für Industrie- als auch für Haushaltsstandards.

Abbildung 5: Die AC/DC-Netzteile RAC10-05SK/277 für 10 Watt verfügen über internationale Sicherheitszertifizierungen sowohl für Industrie- als auch für Haushaltsstandards. (Bildquelle: RECOM Power)

Die 10-Watt-Modelle sind mit einzelnen Ausgangsspannungen von 3,3 bis 24 Volt DC oder in Versionen mit zwei Ausgängen erhältlich, die ±12 oder ±15 Volt DC liefern. Diese Stromversorgungen erfüllen die IEC62477-1-Überspannungskategorie III (OVC III) für industrielle Systeme, die in festen Installationen eingesetzt werden, und für Fälle, in denen besondere Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Geräte gestellt werden. Die Stromversorgungen in diesen Installationen haben in der Regel einen festen, fest verdrahteten Anschluss an die AC-Verteilungstafel. Wie das oben beschriebene 3-Watt-Netzteil RAC03E-K/277 haben diese AC/DC-Netzteile einen besonders weiten Eingangsspannungsbereich von 85 bis 305 Volt AC oder 120 bis 430 Volt DC.

20-Watt-Netzteile mit ultraniedriger Leerlaufleistung

Entwickler von IoT- und intelligenten Geräten können vom Einsatz der AC/DC-Module der 20-Watt-Serie RAC20-K profitieren. Die Version RAC20-48SK beispielsweise erzeugt einen 48-Volt-Gleichstromausgang mit einer Leerlaufleistungsaufnahme von nur 40 Milliwatt (mW) bei Anwendungen im Dauerbetrieb und im Standby-Modus. Diese Netzteile entsprechen dem Standby-Standard ErP Lot 6. Sie sind mit einem Weitbereichseingang von 85 bis 264 Volt AC und optional mit einem extra weiten Eingangsbereich von 85 bis 305 Volt AC oder 120 bis 370 Volt DC erhältlich. Modifizierte Versionen dieser Stromversorgungen erfüllen den Standard IEC62477-1 OVC III. Diese platinenmontierten Stromversorgungen sind mit Einzelausgangsspannungen von 5 bis 48 Volt DC oder in Versionen mit zwei Ausgängen erhältlich, die ±12 oder ±15 Volt DC liefern. Diese Stromversorgungen zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad von leichter Last bis zur Volllast aus, wie das Diagramm für die 5-Volt-Version RAC20-05SK zeigt (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Darstellung des Wirkungsgrads in Abhängigkeit von der Ausgangslast für den RAC20-05SK (Modell mit 5-Volt-Ausgang) zeigt einen hohen Wirkungsgrad von leichter Last bis zur Volllast. (Bildquelle: RECOM Power)

Die AC/DC-Netzteile RAC20-48SK erfüllen die Anforderungen der EN 55022 Klasse B für leitungsgebundene Emissionen ohne zusätzliche Filterung. Sie haben einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +85 °C und verfügen über internationale Sicherheitszertifizierungen für industrielle, audiovisuelle und informationstechnische Geräte (* = in Vorbereitung für die Modelle mit extra breitem Eingang):

• IEC/EN62368-1 (Zertifiziert)
• UL62368-1 (Zertifiziert)
• CAN/CSA-C22.2 Nr. 62368-1-14 (Zertifiziert)
• IEC/EN60335 (Zertifiziert *)
• IEC/EN61558-1 (Zertifiziert *)
• IEC/EN61558-2-16 (Zertifiziert *)
• IEC/EN61204-3 (Konform *)
• EN55032/14 (Konform *)
• EN55024 (Konform *)

Zwei Ausgänge aus einem einzigen Ausgang

Wie bereits erwähnt, ist der 3-Watt-RAC03E-K/277 nur in einer Ausführung mit einem Ausgang erhältlich. Die 10-Watt-Stromversorgungen RAC10-05SK/277 und die 20-Watt-AC/DC-Stromversorgungen RAC20-48SK werden mit Einzel- und Doppelausgängen angeboten. Die Doppelausgangskonfigurationen sind jedoch auf ±12 oder ±15 Volt DC begrenzt. In einigen Anwendungen kann eine andere Kombination von Ausgangsspannungen erforderlich sein. In diesen Fällen können Entwickler ein AC/DC-Netzteil mit einem einzelnen Ausgang mit einem DC/DC-Wandler oder Schaltregler mit geringerer Leistung koppeln, um eine zusätzliche Ausgangsspannung oder eine negative Ausgangsschiene zu liefern (Abbildung 7).

Abbildung 7: Ein Schaltregler (R-78xx, oben) oder ein DC/DC-Wandler (unten) kann mit einer AC/DC-Stromversorgung kombiniert werden, um eine Hilfsausgangsspannung (oben) oder eine negative Spannungsschiene (unten) zu erzeugen. (Bildquelle: RECOM Power)

Bessere EMI-Filterung

Die in diesem Artikel besprochenen AC/DC-Netzteile der Serie RAC von RECOM bieten alle einen eingebauten Netzfilter, der die EN 55022 Klasse B für leitungsgebundene Emissionen erfüllt. Bei anspruchsvolleren Anwendungen kann jedoch eine zusätzliche Filterung erforderlich sein. Wenn ein externer Filter hinzugefügt wird, sollte eine zentrale Stern-Erd-Verdrahtungstopologie verwendet werden, und die Verkabelung zwischen dem externen Filter und dem Umrichter sollte so kurz wie möglich sein (Abbildung 8).

Abbildung 8: Die AC/DC-Netzteile der Serie RAC von RECOM erfüllen EN 55022 Klasse B für leitungsgebundene Emissionen. Bei Bedarf kann ein externer Filter hinzugefügt werden. (Bildquelle: RECOM Power)

Fazit

Der Bedarf an platinenmontierten AC/DC-Netzteilen mit geringer Wattzahl wächst weiter, aber sie bleiben komplexe Systeme. Wenn ein Entwickler nicht mit den Feinheiten des Stromversorgungsdesigns, der Prüfung und der Einhaltung von Vorschriften vertraut ist, kann die Entwicklung von Grund auf zeitaufwändig sein und zu zusätzlichen Kosten, Verzögerungen im Entwicklungszeitplan und mehr Platz auf der Platine als nötig führen.

In vielen Fällen ist es besser, aus einer Reihe von handelsüblichen, kompakten, platinenmontierten AC/DC-Netzteilen zu wählen. Wie gezeigt, sind diese in einer Vielzahl von Eingangsspannungsbereichen erhältlich und können entweder AC- oder DC-Eingänge akzeptieren. Darüber hinaus sind sie wahrscheinlich bereits nach allen relevanten internationalen Leistungsstandards und Konformitätsvorschriften zertifiziert.

Empfohlene Lektüre

1. Ein Leitfaden zur Auswahl und Verwendung von IoT- und IIoT-Stromquellen