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Fit & Forget: Schaltnetzteile: Zuverlässig und langlebig

Eine Faustregel besagt, dass bei einer Erhöhung der Temperatur von Elektronikbaugruppen um 10 K sich die Ausfallwahrscheinlichkeit verdoppelt. Das gilt auch für Schaltnetzteile.

Recom Power Bildquelle: © Fotolia.de/malgorzata tatarynowicz

Svante Arrhenius erhielt 1903 den Chemie-Nobelpreis. Denn im Zuge seiner Forschungen über die Elektrolytische Dissoziation entdeckte der schwedische Wissenschaftler 1889 den Zusammenhang zwischen chemischer Reaktionsgeschwindigkeit und Temperatur. Dieser fundamentale Zusammenhang lässt sich durch die Arrhenius-Gleichung beschreiben (Gleichung [1]). Die in der Formel beschriebene Aktivierungsenergie EA ist hierbei der wesentliche Faktor, denn je geringer die benötigte Aktivierungsenergie eines Systems ist, desto schneller verläuft eine Reaktion. Dieser Zusammenhang lässt sich daher nicht nur für chemische Reaktionen anwenden, sondern gilt auch für viele andere Systeme, beispielsweise in der Elektronik. 

Formt man die Arrhenius-Gleichung um, so kann man den Beschleunigungsfaktor k für die Alterung elek­tronischer Systeme beschreiben (Gleichung [2]). Vereinfacht ergibt sich daraus die bekannte Faustformel, dass eine Erhöhung der Temperatur um 10 K die Ausfallwahrscheinlichkeit verdoppelt. Im Umkehrschluss bedeutet dies, damit halbiert sich die Lebenserwartung. Die Temperatur ist also der limitierende Faktor beim Design eines Schaltnetzteils. Um die Temperatur möglichst gering zu halten, gibt es im Wesentlichen zwei Möglichkeiten: Entweder man sorgt für eine möglichst geringe Umgebungstemperatur oder man verringert im Schaltnetzteil die Verlustleistung, da diese ja für die Eigenerwärmung verantwortlich ist. Da der Entwickler eines Schaltnetzteils meist wenig Einfluss auf die Umgebungsbedingungen hat, muss er sich die Verluste genau ansehen und daran drehen. Er muss überlegen, wo die meisten Verluste entstehen. Dazu blicken wir im Folgenden auf vier wichtige Bausteine eines Schaltnetzteils:

Transformator, Leistungs-MOSFETs, Ausgangs­gleichrichtung sowie die Bauteilplatzierung und das Leiterplattendesign. 

Recom Power Bildquelle: © Recom Power

Bild 1: Schema eines Transformators und der wesentlichen Kenngrößen.

Verluste allseits minimieren 

Der Transformator oder Übertrager ist das Herzstück eines Schaltnetzteils, doch gerade bei dessen Dimensionierung liegt der Teufel im Detail (Bild 1). Beim Eisenkern gilt der Hystereseschleife das besondere Augenmerk. Wer hier falsch berechnet und der Trafo gerät in die Sättigung, erhöht die Verlustleistung deutlich. Darüber hinaus hat auch die Form des Eisenkerns eine zentrale Bedeutung. Ein Ringkern hat beispielsweise wesentlich geringere Streuverluste als ein EI-Kern, dafür lässt sich Letzterer einfacher bewickeln.

Auch die Wicklungen bewirken mit ihrem ohmschen Widerstand Verluste. Diese Kupferverluste hängen im Wesentlichen vom Leiterquerschnitt und der Wicklungszahl ab. Des Weiteren lässt sich durch exaktes Wickeln der Wirkungsgrad anheben. Einen weiteren, wenn auch geringeren Einfluss hat auch der sogenannte Skin-Effekt. Dieser verstärkt sich sowohl mit zunehmendem Drahtquerschnitt als auch mit wachsender Taktfrequenz und lässt sich durch mehrere ineinander verdrillte Drähte (HF-Litze) senken. Die eigentlichen Leistungsbauteile in einem Schaltnetzteil sind die Power-MOSFETs. Hier gilt es, die Schaltverluste so gering wie möglich zu halten. Einerseits sollten sie möglichst schnell schalten, weil dadurch die Verluste sinken, andererseits können gerade steile Schaltflanken (hohes ­di/dt bzw. du/dt) unerwünschte Nebenwirkungen haben. Denn dabei kommt es zu physikalischen Effekten, die sich negativ auf die Lebensdauer auswirken können, und eine hohe Taktfrequenz bedeutet oft zusätzliche EMV-Maßnahmen. Die bestimmenden Komponenten einer Ausgangsgleichrichtung sind die Gleichrichterdioden und die Glättungskondensatoren. Insbesondere die Dioden können dabei sehr heiß werden. Dem entgegenwirken kann man mit einer geringeren Durchlassspannung oder mit einer Snubber-Schaltung, die Schalt­spannungsspitzen kappt. Nichtsdestotrotz sind sie eine Wärmequelle, welche die Glättungskondensatoren, meist Elektrolytkondensatoren (Elkos), deutlich schneller altern lässt. Elkos enthalten einen flüssigen Elektrolyt, der durch die Bauteilabdichtung hindurch diffundiert. Erhöhte Temperaturen begünstigen dies deutlich.

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Bild 2: Thermal-Pads bewirken einen optimalen Wärmetransfer zwischen Bauteilen und Kühlkörper, insbesondere bei nicht homogenen Oberflächen.

Leiterplattendesign und Platzierung 

Wichtig für eine lange Lebensdauer ist, sich bereits zu Beginn eines Designs Gedanken über das Leiterplattendesign und die richtige Plat­zierung der Komponenten zu machen. Bauteile, die große Hitze abgeben, sind immer schlechte Nachbarn für temperaturempfindliche Komponenten. Dabei gilt es, über Kühlkörper oder die Wärmeableitung und über die Platine (Masseflächen mit vielen Durchkontaktierungen) nachzudenken.

Auch sogenannte Thermal-Pads können wertvolle Dienste leisten (Bild 2). Diese weichen, thermisch gut leitfähigen Kissen eignen sich hervorragend, raue oder vor allem inhomogene Oberflächen thermisch definiert an ein Gehäuse oder an einen Kühlkörper zu koppeln. Jedoch gibt es auch hier Grenzen an Wirksamkeit und Langzeitstabilität. Eine erhöhte Beanspruchung (z. B. viele Temperaturwechsel) kann diese Pads austrocknen. Dadurch lässt sich der Anpressdruck zwischen den zu kühlenden Bauteilen und der Kühlfläche nicht mehr gewährleisten. Generell gilt daher: Je höher die Packungsdichte, desto schlechter die Wärmeabgabe und desto wichtiger eine geringe Verlustleistung und eine gute Bauteilplatzierung.

Wertvolle Dienste während des Design­prozesses leistet die Thermografie, denn damit lassen sich recht früh mögliche thermische Probleme oder Hotspots detektieren. Doch wer nun meint, es genüge, einfach die Kamera auf die Platine zu richten und sich das Bild anzusehen, der irrt. Denn um eine Wärmebildmessung wirklichkeitsgetreu durchzuführen, bedarf es aufwendiger Vorbereitungen und beträchtlichen Know-hows. Da die Abwärme der einzelnen Bauteile aufgrund unterschiedlicher Oberflächenstrukturen nicht einheitlich dargestellt wird, ist die Platine zuerst zu »homogenisieren«. Dies lässt sich am einfachsten realisieren, indem man den Prüfling mit einer schwarzen, matten Beschichtung versieht. Des Weiteren sind auch externe Lichtquellen zu eliminieren, da diese Reflexionen hervorrufen können, welche die Messung verfälschen (Bild 3). Die besten Ergebnisse erzielt man daher, wenn der Prüfling in einer homogenisierten »Blackbox« vermessen wird.

Schlussendlich gilt es noch zu bedenken, dass die Temperaturverteilung innerhalb eines Designs erheblich mit der Umgebungstemperatur und den elektrischen Betriebsbedingungen variieren kann. Dem lässt sich Rechnung tragen, indem man nicht nur bei Raumtemperatur misst, sondern auch bei anderen Umgebungsbedingungen. Dazu eignet sich eine Klimakammer mit Spezialglas, das die Infrarotstrahlung (im Bereich zwischen +25 °C und +100 °C) weder dämpft noch verfälscht. Darüber hi­naus muss auch die Wärmebildkamera auf die Eigenschaften des Glases justiert sein, um eine realitätsgetreue Messung zu erhalten. 

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Bild 3: Platine, mit einer Wärmebildkamera betrachtet. Im linken Bild sind verfälschte Hotspots zu sehen, die durch Reflexionen entstehen;

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das rechte Bild zeigt nach der Homogenisierung die wahre Temperaturverteilung.

Zuverlässigkeit berechnen und prüfen 

Die Zuverlässigkeit eines Schaltnetzteils steht in engem Zusammenhang mit der MTBF (Mean Time Between Failures). Die Bedeutung der MTBF lässt sich am einfachsten anhand der »Badewannenkurve« verdeutlichen (Bild 4). Diese gliedert sich in drei Bereiche: die Frühausfälle, die nutzbare Lebensdauer und das Ende der Lebenserwartung. Die MTBF deckt hierbei allerdings nur den mittleren Bereich ab. Das bedeutet, dass sie sowohl die »Kinderkrankheiten« als auch die Alterungseffekte ausspart. Dadurch ist leicht erklärt, warum die MTBF für Netzteile oft mit mehreren Millionen Stunden angegeben wird. Darüber hinaus kann die MTBF nach unterschiedlichen Normen ermittelt werden. Am geläufigsten sind MIL-HDBK-217F, Bellcore TR-NWT-000332 und die »Sie­mensnorm« SN29500. Doch die Ergebnisse dieser Berechnungsmethoden unterscheiden sich teilweise gravierend. Deshalb ist beim Vergleich von MTBF-Werten darauf zu achten, dass sie nach demselben Standard und unter denselben Bedingungen (z. B. Umgebungstemperatur) ermittelt wurden.

Gemeinsam ist diesen Methoden allerdings, dass sich die MTBF des Schaltnetzteils aus den MTBF-Werten der Bauteile aufsummiert. Deshalb beeinflusst auch die Anzahl der Bauteile den MTBF-Wert entscheidend mit. So haben einfach aufgebaute Schaltnetzteile oft einen deutlich höheren MTBF-Wert. Aber das muss im Umkehrschluss nicht heißen, dass sie auch wirklich zuverlässiger sind. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die MTBF einen guten Vergleichswert der Zuverlässigkeit ähnlicher Geräte darstellt, aber keinerlei Aussage über die Lebenserwartung zulässt.

Eine echte Aussage über die Lebenserwartung ist nur durch ausgiebiges Testen möglich. Eine erste Aussage lässt sich nach einem 96-Stunden-Test treffen. Dieser Highly-Accele­rated-Stress-Test (HAST) wird in einer Klimakammer unter definierten Umgebungsbedingungen (z. B. +85 °C/95 % rel. Feuchte) als sogenannter Storage-Test (d. h., die Prüflinge sind nicht in Betrieb) durchgeführt (Bild 5). Vorher und nachher werden die Prüflinge entsprechend ihrer Datenblattparameter vermessen. Aufgrund der Unterschiede kann man auf die Lebensdauer schließen. 96 Stunden unter den oben genannten Bedingungen entsprechen beispielsweise einem 24/7-Betrieb von 7¼ Jahren. Zusätzlich wird oft auch ein 1000-Stunden-Test, wahlweise als Storage- (z.B. +85 °C/50 % rel. Feuchte) oder Life-Test (Prüflinge werden im Betrieb getestet, bei maximal zulässiger Umgebungstemperatur) durchgeführt, um die Ergebnisse zu verifizieren. Darüber hinaus gehört auch ein De­rating-Test zum Standardrepertoire. Dabei wer­den zuerst die zuvor durch Thermografie ermittelten kritischen Komponenten des Schaltnetzteils mit Temperaturfühlern versehen. Bereits hier lauern aber die ersten Fehlerquellen. Bei sehr kleinen Bauteilen, z. B. Gate-Widerständen, Dioden oder ähnlichen, kann der Temperaturfühler wie ein »Kühlkörper« wirken und das Verhalten des Bauteils beeinflussen. Hier bedarf es viel Erfahrung, um nicht schlussendlich komplett verfälscht zu messen, insbesondere wenn es sich um vergossene Bauteile handelt. Die so vorbereiteten Prüflinge kommen dann in die Klimakammer. Hier wartet die nächste potenzielle Fehlerquelle: Da während des Derating-Tests das Verhalten des Schaltnetzteils üblicherweise bei Konvektionskühlung (d. h. ohne zusätzliche Maßnahmen zur Kühlung) zu messen ist, muss man darauf achten, dass es in der Kammer zu keinen unerwünschten Luftströmungen kommt. Gegebenenfalls ist der Prüfling in einer speziellen Messbox in der Kammer zu betreiben.

Der Test selbst läuft wieder als Life-Test unter definierten Bedingungen (üblicherweise mit nominaler Eingangsspannung und unter Volllast) ab. Begonnen wird der Test bei Raumtemperatur. Dann wird in 5-K-Schritten bis zur gewünschten Maximaltemperatur erhöht. Wichtig ist dabei, dass man bei jedem Temperaturschritt solange verweilt, bis sich das ganze System thermisch eingeschwungen hat. Anschließend werden die Messwerte der einzelnen Temperaturfühler ausgewertet. Sind die gemessenen Werte innerhalb der erlaubten Parameter, ist alles in Ordnung. Den Test kann man auch bis zur Zerstörung des Schaltnetzteils weiterführen. Dadurch lassen sich Erkenntnisse über die Stabilität des Designs gewinnen. Das ist eine wichtige Information, wenn das Schaltnetzteil in einer Applikation im Grenzbereich oder gar darüber arbeiten soll.

Für besonders anspruchsvolle Anwendungsbereiche (z. B. Luftfahrt, Militär o. ä.) gibt es noch darüber hinausgehende Testverfahren. Dabei handelt es sich um Thermal-Cycling/Shock- oder Highly-Accelerated-Life-Tests (HALT), in dem neben den definierten Temperaturzyklen auch noch Vibrationsbelastung auf drei Achsen simuliert wird.

Recom Power Bildquelle: © Recom Power

Bild 4: Die Badewannenkurve gibt einen Einblick in die Lebenserwartung.

Zuverlässigkeit garantieren 

Um die in der Qualifikation ermittelten Daten hinsichtlich Lebensdauer und Zuverlässigkeit auch für die Serie garantieren zu können, ist ein laufender Kontrollprozess unerlässlich. Zum einen überprüft die Ausgangskontrolle zu hundert Prozent, ob das Schaltnetzteil die im Datenblatt spezifizierten elektrischen Parameter einhält. Ergänzend erfolgt üblicherweise auch ein High-Pot-Test (Isolationstest), der in der Regel mit Gleichspannung für eine Sekunde erfolgt. Darüber hinausgehende Angaben im Datenblatt sind hochgerechnet und werden nur stichprobenartig geprüft.

Neben diesen Basistests durchläuft jedes Netzteil üblicherweise auch einen Burn-in-Test unter definierten Umgebungsbedingungen (nominale Eingangsspannung, Volllast, +40 °C Umgebungstemperatur). Um Frühausfälle (z. B. produktionsbedingte Fehler, Bauelementefehler usw.) sicher zu erkennen, sollte dieser Test mindestens 48 Stunden laufen. Es gibt jedoch eine Möglichkeit, den Burn-in-Test zu verkürzen, um den Produktionsdurchsatz zu erhöhen: Wenn eine bestimmte Chargenanzahl den 48-Stunden-Burn-in besteht, dann kann man die Testzeit halbieren. Besteht wieder eine bestimmte Chargenanzahl diesen Test, wird die Zeit wieder halbiert. Dies setzt sich solange fort, bis eine minimale Testdauer von drei Stunden erreicht ist. Tritt bei den verkürzten Tests jedoch auch nur ein Fehlerfall auf, wird die Testzeit wieder auf 48 Stunden hochgefahren und der Prozess beginnt von neuem. Nur so lässt sich eine gleichbleibend hohe Qualität der Produkte gewährleisten.

Zusammenfassend bleibt zu sagen, Zuverlässigkeit und Lebensdauer eines Schaltnetzteils sind »innere« Werte. Allein der Blick ins Datenblatt ist für die Auswahl meist zu wenig. Doch wer mit den Rahmenbedingungen seiner Applikation gut vertraut ist und den Herstellern die richtigen Fragen stellt, wird auch nach vielen Jahren Betrieb seiner Produkte, selbst unter widrigsten Umgebungsbedingungen, keine blauen Wunder er­leben.(rh)

Thomas Rechlin 

Senior Field Application Engineer bei Recom Power