Entwicklung EuP-konformer Schaltnetzteile

Auf die Topologie kommt es an

© Ansmann

Die Leistungsaufnahme von externen Netzteilen bei Nulllast darf - unabhängig von der Ausgangsleistung des Netzteiles - 0,5 W nicht überschreiten. Die zulässige durchschnittliche Effizienz ist dagegen von der Ausgangsleistung abhängig. Der Wirkungsgrad von Netzteilen mit einer Leistung größer 51 W beträgt mindestens 85 %.

Alle nach dem 27.April 2009 in Verkehr gebrachten externe Netzteile müssen diesen Ökodesign-Anforderungen bezüglich Leistungsaufnahme unter Nulllast und durchschnittliche Effizienz im Betrieb entsprechen. So sieht es die erste Stufe der Verordnung (EG) Nr.278/2009 zur Festlegung der Leistungsaufnahme und Effizienz im Betrieb von externen Netzteilen vor.

Um ein EuP-konformes Netzteil zu entwickeln, müssen bereits bei der Planung des Schaltnetzteils die Anforderungen der EuP-Verordnung mitberücksichtigt werden. Wer sorgfältig entwickelt, kann nicht nur die Vorgaben aus der EuP-Verordnung für die erste Stufe sondern auch für die zweite Stufe, einhalten, die am 27.April 2011 in Kraft tritt.

Die Wahl einer passenden Wandlertopologie inklusive eines entsprechenden Schaltnetzteil-ICs steht dabei an erster Stelle. Hiermit kann bereits ein großer Einfluss auf die spätere Effizienz genommen werden. Einfach aufgebaute Wandlertopologien wie z.B. Sperrwandler oder Eintaktdurchflusswandler sind kostengünstig, weil sie mit einer geringen Anzahl an Komponenten auskommen. Weil die Energieübertragung nur während der Ausschaltzeit bzw. Einschaltzeit des Schalt-MOSFET stattfindet, sind sie nicht sehr effizient. Eine höhere Effizienz erreichen Flusswandler mit Halb- oder Vollbrückengegentaktansteuerung, weil in diesem Fall sowohl Ein- und Ausschaltzeit zur Energieübertragung genutzt werden. Diese Wandler benötigen aber eine höhere Zahl an Komponenten als die einfacher aufgebauten Typen. Die Verringerung der Schaltverluste steigert jedoch die Effizienz.

Ein Beispiel hierfür ist der Resonanzwandler, der es ermöglicht, den Schalt-MOSFET verlustfrei, d.h. im Nullspannungsdurchgang (ZVS) oder Nullstromdurchgang (ZCS), zu schalten. Diese beiden Verfahren können auch auf Sperrwandler (Quasiresonanz-Sperrwandler) und Flusswandler (Asymmetrischer Halbbrückenwandler) übertragen werden. Zusätzlich verringern sich die EMV-Emissionen, wenn die MOSFETs bei Nullspannung bzw. Nullstrom schalten. Das wirkt sich wiederum auf die Eingangsfilter und RCD-Beschaltungen von Primärwicklung und Schalt-MOSFETs aus, die kleiner und sparsamer ausgelegt werden können.

Neben der Wahl der Wandlertopologie kann eine Auswahl von effizienten Bauteilen, wie z.B. MOSFETs mit niedrigem RDSon und schnellen Schaltzeiten, Dioden mit niedriger Durchlassspannung und Übertrager mit Ferritkernen, die niedrige Kernverluste aufweisen, die Verlustleistung verringern.

Bei niedrigen Ausgangsspannungen kann zusätzlich, anstatt der sekundärseitigen Dioden, eine Synchrongleichrichtung eingesetzt werden, was wiederum besonders bei Schaltnetzteilen mit kleiner Ausgangsspannung den Wirkungsgrad steigert.
Durch die Wahl eines Schaltnetzteil-ICs, das Energie spart, wenn keine Ausgangsleistung benötigt wird, kann die Leerlaufleistung unter die EuP-Vorgabe gesenkt werden. Hier existieren verschiedene Möglichkeiten, wie z.B. Änderung der Schaltfrequenz unter Nulllast, Sense-Pulse für die Erkennung, ob Ausgangsleistung benötigt wird, Wechseln des Bezugs der Versorgungsspannung oder Abschalten einzelner Hardwarekomponenten (z.B. PFC).

Eine weitere Möglichkeit die Verlustleistung im Leerlauf zu verringern bzw. ganz zu eliminieren besteht darin,  dass man das Netzteiles abhängig vom Eingangsstrom ganz abschaltet, wie Ansmann es in den Zero Watt Geräten realisiert hat.


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