Der „Power Supply Design Guide“

Netzteil-Test mit dynamischer Last (Stromverlauf): Zur Simulation dynamischer Lastsprünge werden zusätzlich pulsierende elektronische Lasten angeschlossen, um das Regelverhalten des Netzteils zu untersuchen.

© Bicker Elektronik

Eine zentrale Forderung des „Power Supply Design Guides“ ist die Einhaltung der Spannungstoleranzen an allen DC-Ausgängen. Die ATX-Norm spezifiziert eine Toleranz von ±5 % für +12 V, +5 V, +3,3 V und +5 V Standby sowie ±10 % für den –12-V-Ausgang. Dies bedeutet, dass beispielsweise die +12-V-Schiene unter keinen Umständen unter +11,4 V fallen beziehungsweise +12,6 V übersteigen darf. Kritisch werden diese Rahmenbedingungen für ein Schaltnetzteil immer dann, wenn es im Bereich seiner Minimal- beziehungsweise Maximallast arbeitet oder hochfrequente Lastsprünge ausgleichen muss. Dynamische Laständerungen entstehen auf dem Mainboard, wenn die CPU vom 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. Dann ist die Regelung des Netzteils gefordert, die sprungartige 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.

Netzteil-Test mit dynamischer Last (Spannungsverlauf): Die dynamischen Lastsprünge verursachen Spannungsschwankungen an den Netzteil-Ausgängen, die das Schaltnetzteil innerhalb von Sekundenbruchteilen aus­regeln muss.

© Bicker Elektronik

Im Labor wird diese Situation mit dem jeweiligen Netzteil reproduzierbar getestet: Zusätzlich zur Stromversorgung des Testsystems mit Mainboard, CPU, Lüfter, RAM, SSD/HDD- und CD-Laufwerk wird an den +5-V- und +12-V-Netzteil-Ausgängen jeweils eine mit 100 Hz pulsierende elektronische Last angeschlossen, die die zusätzliche Belastung bis hin zur Maximallast simuliert. Der gleiche Test wird mit statischen Zusatzlasten wiederholt. Während der Messungen läuft auf dem Testsystem eine definierte Burn-In-Testsoftware. Die Mess-Ergebnisse zeigen schließlich, in welchem Toleranzbereich sich die Ausgangsspannungen der jeweiligen Power+Board-Kombination bewegen und stellen die Einhaltung der Grenzwerte sicher – auch an den Belastungsgrenzen des Netzteils.

Fehler beim Systemstart

Bevor ein Rechnersystem im Normalbetrieb seinen Dienst verrichten kann, muss es zunächst erfolgreich starten. Klingt trivial – ist aber oft der Grund für viele Stunden mühsamer Fehlersuche bei der Systementwicklung. Ein Grund dafür, dass der Rechner nur sporadisch oder gar nicht startet beziehungsweise beim Systemstart bestimmte Fehlermeldungen ausgegeben werden, kann das Einschalt- und Timingverhalten der verwendeten Netzteil-Mainboard-Kombination sein. Daher widmen sich gleich mehrere Einzeltests beim Power+Board-Programm diesem Themenfeld:

Kritischer Punkt bei der Zusammenarbeit von Mainboard und Netzteil ist Systemstart. Das Bild zeigt das Start-up-Timing für +3,3 V (gelb), +5 V (blau) und +12 V (magenta). Die grüne Linie zeigt die +5-V-Standby-Spannung.

© Bicker Elektronik

Versorgt durch die +5-V-Standby-Schiene wird beim Einschaltvorgang mit Hilfe des Startsignals (PS_ON#) vom Mainboard die Hauptstromversorgung aktiviert. Nun müssen sich die Spannungen an den verschiedenen Ausgängen in einer durch den Power Supply Design Guide definierten zeitlichen Abfolge zueinander aufbauen. Im Falle der ATX-Spezifikation ist es zunächst notwendig, dass jede einzelne Spannung innerhalb eines Zeitfensters von 0,1 ms bis 20 ms (Risetime) ihren nominalen Regelungstoleranzbereich erreicht hat. Bei ±5 % Toleranz würde dies 95 % des Nomi­nalwertes entsprechen, zum Beispiel +11,4 V am +12-V-Ausgang. Die ansteigende Spannungsflanke (Ramp) muss hierbei zu jedem Zeitpunkt gleichmäßig und ununterbrochen („smooth and continuous“) in positiver Richtung verlaufen. Hinsichtlich der drei Hauptspannungen gilt, dass die +3,3-V-Schiene ihren Regelungstoleranzbereich maximal 20 ms nach der +12-V- beziehungsweise +5-V-Schiene erreicht haben muss. Die Einhaltung dieses Zeitbereichs ist nicht nur für das perfekte Zusammenspiel von Netzteil und Mainboard entscheidend; ATX-konforme Erweiterungskarten wie etwa Framegrabber verzeihen eine Überschreitung der 20-ms-Grenze meist nicht und verweigern ihren Dienst respektive verhindern den erfolgreichen Systemstart.

Während der Spannungsanstiegszeit darf zudem die Ausgangsspannung an +12 V und +5 V zu keiner Zeit unter das Spannungsniveau des +3,3-V-Ausganges fallen.

Liegen schließlich alle Haupt- und Nebenspannungen stabil an, übergibt das Netzteil ein High-Signal – +5 V(DC) – auf der Power-Good-Leitung (PWR_OK) an das Mainboard. Ein Low-Signal – 0 V(DC) – würde dem Mainboard einen Fehler signalisieren und einen Reset auslösen; das System würde nicht starten.

Die Einschaltverzögerung, also die Zeit zwischen dem Erreichen der Regelungstoleranzbereiche und dem Power-Good-Signal, muss sich ebenfalls in einem definierten Zeitfenster von 100 ms bis 500 ms (PWR_OK delay) bewegen.

Parallel zu den Spannungen werden im Testlabor die Einschaltströme in ihrem zeitlichen Verlauf gemessen und analysiert. Hierfür kommen Stromzangen zum Einsatz, die in Verbindung mit einem Oszilloskop die Ströme in den einzelnen Ausgangsleitungen des Netzteils ohne Unterbrechung des Stromkreises exakt messen (Hall-Effekt-Technologie).

Im Einschaltmoment werden durch kapazitive Lasten in Form von Kondensatoren und Schaltreglern auf Mainboard und Systemkomponenten sehr hohe Ströme verursacht. Die erfassten Daten geben Aufschluss darüber, welche Einschaltspitzenströme das Netzteil innerhalb eines bestimmten Zeitabschnittes sicher liefern muss. 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 Falle würde das Netzteil respektive das Gesamtsystem den Systemstart verweigern. So manifestiert sich auch im Einschaltverhalten die Qualität der leistungselektronischen Ausstattung eines Schaltnetzteils und dessen Vermögen, derartige Extremsi­tuationen zu meistern.

Autor: Andreas Wagner ist Mitarbeiter im Bereich Marketing & Kommunikation bei Bicker Elektronik in Donauwörth.