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Stromversorgung

Verteilte Stromversorgungs-Struktur mit DC/DC-Modulen

9. Januar 2020, 11:46 Uhr | Wolf-Dieter Roth, technischer Redakteur bei HY-LINE Power Components

Das klassische zentrale AC/DC-Netzteil ist in komplexeren Systemen kaum noch zu finden. Dezentrale Strukturen dominieren inzwischen – auch im PC haben sie Einzug gehalten. Wie funktioniert die dezentrale Stromversorgung und was ist ihr Vorteil?

Als Steve Wozniak und Steve Jobs 1976 den Apple I vorstellten, nutzte dieser TTL-Logikbausteine, die mit 5 V Gleichspannung zu versorgen waren. Dazu, diese bereitzustellen, diente ein Netztransformator, gefolgt von Gleichrichtern, Ladekondensatoren und einem großen Linearregler auf einem noch größeren Kühlkörper. Dies blieb für Heim- und Personal Computer lange Stand der Technik, auch der C64 wurde so versorgt. Hinzu kam nur noch eine kleinere ±12-Volt-Versorgung für Komponenten wie Diskettenlaufwerke.Die Linearregler entwickelten viel Hitze und Netztransformator, Gleichrichter und Ladekondensatoren benötigten viel Platz. Deshalb wurde das Netzteil bei Heimcomputern wie dem C64 oft in einen „Netzklops“ ausgelagert – der eigentliche Computer blieb so klein und leicht.

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Klassisch: Zentrale Spannungsbereitstellung

Der Netztransformator verschwand als erstes aus den Computer-Stromversorgungen, denn die 5-V-Gleichspannungsversorgung aus einem Linearregler war nicht nur extrem ineffektiv – mit 50% Wirkungsgrad war man hier schon richtig gut – sondern auch sehr unzuverlässig: Beim kleinsten Spannungseinbruch im Netz schlug dieser auch auf den 5-V-Ausgang durch und der Rechner stürzte ab – beim Anspringen des Kühlschranks war „Mario“ tot.

Primär getaktete Schaltnetzteile haben dagegen Ladekondensatoren bereits auf der Netzseite statt nur auf der Sekundärseite des Transformators, die damit auch den Ausfall einer Halbwelle überbrücken können. Zudem können sie auch bei Netz-Unterspannung noch eine stabile Ausgangsspannung liefern, ohne inakzeptable Wirkungsgrade zu produzieren.

Außerdem wurden die Netzteile kleiner und der Wirkungsgrad stieg – bei einfachen Sperrwandlern jedoch nicht der Platzreduktion entsprechend, weshalb nun Lüfter erforderlich wurden, um die Verlustwärme abzuführen.

Über die Jahre wurden die Netzteile besser, doch die PCs – ebenso wie Industrielösungen mit 24-V-Bus – auch immer leistungshungriger: Die Folge: Auch auf der Hutschiene haben sich Schaltnetzteile durchgesetzt und den traditionellen drei PC-Spannungen +5 V, +12 V, -12V folgten weitere – dem Netzteil entsprossen immer mehr Stecker und Strippen beispielsweise für Hochleistungs-Grafikkarten. Dabei kamen noch niedrigere Spannungen hinzu: erst 3,3 V, dann 2,5 V, dann 1,8 V. Mittlerweile laufen manche Prozessoren mit weniger als einem Volt.

Diese Spannungen ließen sich jetzt nicht mehr vernünftig über lange Strippen zuführen, sie wurden stattdessen vor Ort über Point-of-Load-Regler (POL) erzeugt: DPA – Distributed Power Architecture – hatte Einzug gehalten. Hier wird eine mehr oder weniger gut geregelte Zwischenkreisspannung weiter gewandelt und schließlich zur final gewünschten Arbeitsspannung geregelt.