Bei der Wahl des Mainboards sind Aspekte wie Performance, Konnektivität, Wärmemanagement, Sicherheit und Kompatibilität vorrangig. Bei der Stromversorgung ist die 'richtige' Wahl schon nicht mehr so einfach – hier stehen vielfältige Fragen im Raum: Wie leistungsstark soll das Netzteil ausgelegt sein? Welche Minimal- und Maximallasten können auftreten? Wie energieeffizient ist das ausgewählte Netzteil unter ­realen Einsatzbedingungen in Kombination mit dem Mainboard und weiteren Systemkomponenten? An welcher Einbauposition ist ein optimales Wärme­management gewährleistet? Welche Sicherheitsaspekte müssen beachtet werden? Warum kommt es bei bestimmten Netzteil-Mainboard-Kombinationen zu kritischen Situationen während des Systemstarts oder unerklärlichen Systemabstürzen im laufenden Betrieb? Was unterscheidet ein hochwertiges von einem Standard-Netzteil abgesehen vom Preis?

Im hauseigenen Labor werden ­Industrie- und Medizin-Netzteile mit ausgewählten Mainboards 'auf Herz und Nieren' geprüft.

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Neben Mainboard-Serien mit Single-Voltage-Eingang (zum Beispiel 24 V (DC) sind in der Regel ATX-konforme DC-Spannungen nötig, um Mainboards und deren Peripherie betreiben zu können: die Hauptspannungen +12 V, +5 V und +3,3 V sowie die Nebenspannungen –12 V und +5 V Standby. Letztere wird mit Hilfe eines separaten Transformators und Regelkreises innerhalb des Hauptnetzteils realisiert und agiert unabhängig von den Hauptausgangsspannungen. Klassisch werden die drei Hauptspannungen +12 V, +5 V und +3,3 V aus einem Transformator durch entsprechende Abgriffe generiert, wobei die +3,3 V von der +5 V abgeleitet wird.

Derartige Abhängigkeiten einzelner Ausgangsspannungen zueinander sind regelungstechnisch beim Netzteil-Design zu berücksichtigen. Deshalb setzen aktuelle Netzteile die DC-to-DC-Technik ein, bei der aus einer starken +12-V-Hauptspannung alle weiteren Ausgangsspannungen (außer +5 V Standby und –12 V) mit Hilfe separater DC/DC-Wandlermodule erzeugt und unabhängig voneinander geregelt werden. Neben einer höheren Energie-Effizienz hat dies zudem den Vorteil, dass sich Laständerungen an einer Ausgangsspannung unabhängig von den anderen Spannungen ausregeln lassen und so letztlich alle Ausgänge stabiler sind.

Umfangreiche Testläufe

Bei den Labortests wird unter anderem das Systemverhalten an den Belastungsgrenzen des Netzteils sowie bei dynamischen Lasten analysiert. Eine zentrale Forderung des ‚Power Supply Design Guide‘ ist die Einhaltung der Spannungstoleranzen an allen DC-Ausgängen. Kritisch werden diese Rahmenbedingungen für ein Schaltnetzteil immer dann, wenn es im Bereich seiner Minimal- beziehungsweise Maximallast arbeitet und Lastsprünge ausgleichen muss.

Dynamische Laständerungen entstehen auf dem Mainboard, wenn die CPU vom energiesparenden Standby-Modus oder dem Leerlaufprozess (Idle-Mode) in einen rechenintensiven Zustand wechselt oder umgekehrt. Gleiches gilt für den teils stark schwankenden Leistungsbedarf von Grafikkarten und Peripheriegeräten. In diesen Fällen ist die Regelung des Netzteils gefordert, die sprunghafte Laständerung innerhalb von Sekundenbruchteilen ohne signifikanten Einbruch oder Überschwingen der Ausgangsspannung nachzuregeln und somit innerhalb der definierten Grenzwerte zu bleiben. Anderenfalls kann es zu undefinierten Reaktionen oder gar Abstürzen des Rechnersystems kommen.

Im Labor wird diese Situation mit dem jeweiligen Netzteil reproduzierbar getestet: Zusätzlich zur Stromversorgung des Testsystems mit Mainboard, CPU, Lüfter, RAM, SSD/HDD wird an den Netzteil-Ausgängen jeweils eine pulsierende elektronische Last angeschlossen, die definierte Lastsprünge im Bereich von 0,5 bis 10.000 Hz durchführt. Während der Messungen läuft auf dem Testsystem eine spezielle Testsoftware zur entsprechenden System-auslastung. Die Mess-Ergebnisse zeigen, in welchem Toleranzbereich sich die Ausgangsspannungen der jeweiligen Power+Board-Kombination bewegen.

Die Problematik dynamischer Laständerungen wird sich künftig weiter verschärfen, wie die aktuellen Entwicklungen hinsichtlich Schnittstellen-Standards wie beispielsweise USB Typ C zeigen: Pro Port lassen sich Geräte mit einer Leistung von bis zu 100 W spontan an- und abstecken.

Ermittlung des konkreten Leistungsbedarfs

350-W-Netzteile im Effizienzprofil-Vergleich. Zwar ist der maximale Wirkungsgrad von B höher als von A, das versorgte Mainboard arbeitet jedoch die meiste Zeit zwischen 50 und 150 W und im Peak-Bereich ab 260 W. Hier hat  A bessere Effizienzwerte.

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Bei der Vor-Ort-Beratung gilt es, den tatsächlichen Leistungsbedarf eines Systems so genau wie möglich zu definieren, um eine Über- oder Unterdimensionierung der Stromversorgung zu vermeiden. Zudem sollte die Frage des Wirkungsgrades geklärt und anschließend im Labor analysiert werden. Bei den Schaltnetzteil-Merkmalen ist oft der maximale Wirkungsgrad genannt, der in der Regel im mittleren Leistungsbereich liegt. Dieser Wert gilt dann schnell als absolutes Auswahl- und Kaufkriterium. Doch auch hier lohnt es sich, genauer hinzusehen und die realen Bedingungen zu untersuchen. Mit entsprechend automatisiertem Mess- und Software-Equipment lässt sich im Labor Watt-genau ein Effizienz-Profil jedes Netzteils erstellen und mit dem Lastprofil des Mainboards be­ziehungsweise des Systems vergleichen. Das Ergebnis der Untersuchung kann beispielsweise sein, dass Netzteil A mit einem maximalen Wirkungsgrad eff1 (max) = 91,5 % besser geeignet ist als Netzteil B mit höherem eff2 (max) = 93,5 %. Warum? Weil das versorgte Mainboard mit allen Systemkomponenten die meiste Zeit im Bereich von 50 bis 150 W und im Peak-Bereich ab 260 W arbeitet und hier das Netzteil A bessere Effizienz-Werte aufweist, somit also mittel- und langfristig deutlich weniger Verluste aufweist.

In den unteren 10 bis 15 % des Nenn-Leistungsbereiches arbeiten Stromversorgungen mit einer hohen Effizienz zudem oftmals im Burst-Modus. Bei entsprechend niedriger Ausgangslast werden die Schalttransistoren periodisch abgeschaltet. Die geringe Last am Ausgang wird aus der Energie gespeist, die in den Elektrolyt-Kondensatoren (Elkos) gespeichert ist. Sobald die Spannung an den Elkos einen Schwellenwert unterschreitet, aktiviert sich das Schaltnetzteil wieder und erhöht die Spannung an den Ausgangskondensatoren bis zu einem oberen Schwellenwert. Sobald dieser erreicht ist, schaltet es wieder ab. Durch die Verringerung der wirksamen Schaltfrequenz wird so die Effizienz erhöht.

Das Einschalt- und Timing-Verhalten

Mehrere Einzeltests beim Power+Board-Programm widmen sich der Untersuchung des Einschalt- und Timing-Verhaltens. Die ATX-konformen Spannungen an den Netzteil-Ausgängen müssen sich in einer definierten zeitlichen Abfolge zueinander aufbauen und innerhalb eines definierten Zeitfensters (Risetime) ihren nominalen Pegel erreicht haben. Die Einhaltung dieser zeitlichen Abläufe ist für das Zusammenspiel von Netzteil und Mainboard entscheidend.

Parallel zu den Spannungen werden im Testlabor die Einschaltströme in ihrem zeitlichen Verlauf gemessen und analysiert. Im Einschaltmoment verursachen kapazitive Lasten in Form von Kondensatoren und Schaltreglern auf Mainboard und Systemkomponenten sehr hohe Ströme. Die erfassten Daten geben Aufschluss darüber, welche Einschaltspitzenströme fließen und ob Maßnahmen zu ihrer Begrenzung in Betracht gezogen werden müssen. Neben den definierten kapazitiven Lasten in der ATX-Norm ist vor allem das geschulte Auge und die Erfahrung des Testingenieurs bei der Beurteilung der Oszillogramme gefragt, da es gilt, kritische Anstiegsflanken und mögliche Konflikte sicher zu erkennen und zu beurteilen. Im schlimmsten Fall würde das Netzteil respektive das Gesamtsystem den Systemstart verweigern.

Eine durchdachte Auslegung der leistungselektronischen Bauelemente, ein ausgeklügeltes Schaltungsdesign und nicht zuletzt die Verwendung hochwertiger Komponenten, wie zum Beispiel japanische Markenkondensatoren, sorgen dafür, dass ein Schaltnetzteil die gestellten Anforderungen während einer langen Lebensdauer erfüllt und zusätzlich Reserven für kurzzeitige Extrembelastungen bereithält, wie sie zum Beispiel bei Low-Power-Designs durch Zu- oder Abschalten von Peripherie-Hardware oder den schnellen Wechsel zwischen Betriebsmodi entstehen. Hinsichtlich derartiger Aspekte unterscheiden sich hochwertige Netzteile von vermeintlich günstigen Schnäppchen, die in solchen Situationen in 'Schall und Rauch' aufgehen können und die restliche Systemelektronik gegebenenfalls mit zerstören.

Autor:
Apostolos Baltos ist Designing Engineer bei Bicker Elektronik in Donauwörth.