Netzteil Design Techniken um die neuen DoE Level VI Energieeffizienz Standards zu erfüllen

Globtek, Inc., einer der führenden Hersteller von Stromversorgungen, hat kürzlich eine neue energieeffiziente Produktlinie eingeführt, die es Produktdesignern und OEMs ermöglicht, in Konformität mit globalen Energieeffizienz Standards zu sein, insbesondere mit den neuen „Energy Conservations Standards“ des US Department of Energy (DoE) für externe Netzteile (EPS). Dieser Standard ist allgemein als „Level VI“ bekannt. Auf Grund jahrzehntelanger Erfahrung im Design und der Produktion von Schaltnetzteilen für vielfältige Anwendungsbereiche wie IT, Medizin, Audio, Industrie- und Konsumgüter, versteht Globtek die Komplexität und Feinheiten von verpflichtenden und freiwilligen Energieeffizienz Anforderungen innerhalb der sehr dynamischen globalen Zulassungsvorschriften und kann daher ein umfangreiches Sortiment von effizienten Schaltnetzteilen mit Leistungsbereichen zwischen 5 Watt bis zu 250W anbieten.

Am 10. Februar 2014 hat das US Department of Energy die Verordnung für die neuen „Energy Conservation Standards“ für externe Netzteile veröffenticht. Diese neue Verordnung ist eine Änderung der vorherigen EISA 2007 Energieeffizienz Standards.

Sie tritt am 10. Februar 2016 in Kraft und gilt für alle genannten externen Netzteile, die entweder in den Vereinigten Staaten produziert oder dorthin importiert werden. Der neue Standard verschärft die vorgeschriebene minimale durchschnittliche Effizienz von externen Netzteilen während des Betriebs und die maximale Stromaufnahme im Leerlauf. Dies betrifft eine Vielzahl von externen Netzteilen in einer Vielzahl von Branchen. Die Konformität mit der neuen Verordnung wird durch die römische Ziffer VI auf dem Netzteillabel, der Verpackung oder den beigefügten Dokumenten kenntlich gemacht.

Verglichen mit der aktuellen Level V Verordnung, hat der neue DOE Level VI Standard nicht nur strengere Anforderungen an die durchschnitlliche Effizienz und die Stromaufnahme im Leerlauf, der Standard wurde auch auf weitere Produkte ausgeweitet, die vorher ausgenommen waren: Netzteile mit Mehrfach-Ausgang und mit über 250W Leistung.

 

Die neue Verordnung klassifiziert Netzteile nach direkten oder indirekten Betrieb. Netzteile im direkten Betrieb versorgen das Endgerät direkt mit Strom ohne Hilfe eines Akkus, wohingegen Netzteile im indirekten Betrieb die Endgeräte nur mit Hilfe eines Akkus betreiben. Die neue Level VI Verordnung wird nur Netzteile für den direkten Betrieb umfassen. Indirekt operierende Netzteile müssen weiterhin nur die aktuellen EISA 2007 Effizienzanforderungen erfüllen.

Aber nicht alle externen Netzteile sind von dem neuen Standard betroffen. Geräte, die bei der Federal Food and Drug Administration (FDA) gelistet werden müssen, medizinisch zugelassene Geräte und alle externen AC/DC Netzteile mit kleiner 3V Ausgangsspannung und mit größer oder gleich 1000mA Ausgangsstrom, die zum Laden einer Batterie eines Produktes, das ganz oder teilweise motorisiert ist, eingesetzt werden, sind ausgenommen. Auch bestimmte externe Netzteile für Lebensrettungs- und Sicherheitsausrüstung müssen nicht die Anforderungen unter Nulllast erfüllen.

Die untenstehende Tabelle zeigt die neue durchschnittliche Effizienz und die Anforderungen an die maximale Stromaufnahme im Leerlauf. Die Tabelle wurde aus dem „DoE’s CFR Part 430 standard“ Dokument übernommen:

Single-Voltage External AC-DC Power Supply, Basic Voltage
Nameplate Output Power (Pout)	Minimum Average Efficiency in Active Mode (expressed as a decimal)	Max. Power in No Load Mode (W)
Pout ≤ 1W	≥ 0.5 x Pout + 0.16	≤ 0.100
1W < Pout ≤ 49W	≥ 0.071 x ln(Pout)-0.0014 x Pout + 0.67	≤ 0.100
49W < Pout ≤ 250W	≥ 0.880	≤ 0.210
Pout > 250W	≥ 0.875	≤ 0.500
Single-Voltage External AC-DC Power Supply, Low Voltage
Pout ≤ 1W	≥ 0.517 x Pout + 0.087	≤ 0.100
1W < Pout ≤ 49W	≥ 0.0834 x ln(Pout)-0.0014 x Pout + 0.609	≤ 0.100
49W < Pout ≤ 250W	≥ 0.870	≤ 0.210
Pout > 250W	≥ 0.875	≤ 0.500
Single-Voltage External AC-AC Power Supply, Basic Voltage
Pout ≤ 1W	≥ 0.5 x Pout + 0.16	≤ 0.210
1W < Pout ≤ 49W	≥ 0.071 x ln(Pout)-0.0014 x Pout + 0.67	≤ 0.210
49W < Pout ≤ 250W	≥ 0.880	≤ 0.210
Pout > 250W	≥ 0.875	≤ 0.210
Single-Voltage External AC-AC Power Supply, Low Voltage
Pout ≤ 1W	≥ 0.517 x Pout + 0.087	≤ 0.210
1W < Pout ≤ 49W	≥ 0.0834 x ln(Pout)-0.0014 x Pout + 0.609	≤ 0.210
49W < Pout ≤ 250W	≥ 0.870	≤ 0.210
Pout > 250W	≥ 0.875	≤ 0.500
Multiple-Voltage External Power Supply
Pout ≤ 1W	≥ 0.497 x Pout + 0.067	≤ 0.300
1W < Pout ≤ 49W	≥ 0.075 x ln(Pout) + 0.561	≤ 0.300
Pout > 49W	≥ 0.860	≤ 0.300
Table I. Energy Conservation Standards for Direct Operation EPSs (Copied from US DoE, 10 CFR Part 430 document)

Neue Design Verfahren um die neuen Level VI Anforderungen zu erfüllen

Die Herausforderungen, denen sich Produktingenieure stellen müssen, um die neuen strengeren Energieeffizienz Level VI und Leerlauf Anforderungen zu erfüllen, sind, dass Schaltznetzteile üblicherweise sehr effizient arbeiten, wenn sie an oder nahe an ihrer Maximalleistung betrieben werden. Die Effizienzkurve ist nicht flach entlang des Lastbereichs. Ältere Netzteildesigns sind weit weniger effizient, wenn sie unter ihrer spezifizierten Maximallast laufen. Dies kommt teilweise von den fixen Verlusten im Netzteil-Schaltkreis, die dominanter werden sowie die Last abnimmt.

Mit der erhöhten Durchschnittseffizienz und den Leerlauf-Anforderungen sind schrittweise Designänderungen oder kleine Anpassungen eines vorhandenen Designs wie z.B. Verwendung von qualitativ hochwertigeren Komponenten oder Verwendung eines kürzeren und dickeren Kabels nicht mehr länger ausreichend, um die neuen Anforderungen zu erfüllen. Um den neuen Level VI Anforderungen gerecht zu werden, sind signifikante Designänderungen auf allen Ebenen nötig, beginnend bei der Auswahl der Antriebstopologie, der Betriebsleittechnik, der Gleichrichtungstechnik auf der Sekundärseite bis hin zur Auswahl der Steuerungs-ICs und anderer kritischer Komponenten. Desweiteren müssen jetzt auch die Hilfsstromkreise (z.B. die Überspannungsschutzschaltung, Controller ICs, etc.), die üblicherweise wenig Aufmerksamkeit beim Design erhalten, genau untersucht und optimiert werden.

Eine Lösung, um die strengeren Energieeffizienz-Anforderung zu erfüllen oder zu übertreffen, ist die Kombination der besten Antriebstechnik, die von sich aus schon höhere Effizienz in einem bestimmten Lastbereich bietet, sorgfältige Auswahl von Komponenten und Änderung von Komponentenmaterial, beste Designmethoden und mehrgleisige Steuerungsstrategie.

Hohe Effizienz und niedrige Stromaufname im Leerlauf kann durch multiple Betriebsmodi bei der Netzteil Steuerungsstrategie erlangt werden. Diese können nahtlos zwischen den Modi hin und her wechseln, je nachdem wieviel Leistung vom Endsystem gezogen wird. Jeder Betriebsmodus ist für maximale Effizienz und niedrigen Leerlaufverbrauch in einem bestimmten Leistungsbereich optimiert. Auf diese Weise kann eine relativ flache Effizienzkurve über den gesamten Leistungsbereich erreicht werden.

 

Ein Beispiel: Low-Power-Anwendung bis zu 75W, ein Flyback-System, das bei höheren Leistungen in quasi-resonantem (QR) Modus arbeitet und bei mittlerer Leistung automatisch in den Frequency Foldback Modus (FFM) und am Ende bei sehr geringer Leistung oder unter Nulllast in den Burst Modus wechselt. Das verbessert die durchschnittliche Effizienz innerhalb eines breiten Leistungsbereiches signifikant. Im QR Modus wird die verbesserte Effizienz durch minimale Schaltverluste erreicht. Der Haupttransistorschalter im Flyback Schaltkreis wird ausgeschaltet, während die Spannung dort an ihrem niedrigsten Level ist („valley switching“). So werden Verluste durch störende Kapazität des Schalters minimiert. Im FFM Modus kann man durch Reduzierung der Schaltfrequenz die Verluste, die proportional zur Schaltfrequenz sind, wie z.B. der Mosfet Hauptschalter und die An-/ Ausschaltverluste der Diode auf der Sekundärseite und die Magnetkernverluste der Transformer, reduzieren. Der Burst- oder Pulse-Skipping-Modus hilft die Leerlaufverluste zu reduzieren, indem er das Netzteil nur dann anschaltet, wenn es nötig ist, die Ausgangsspannung zu halten, um innerhalb der Spezifikation zu bleiben. Oft ist das Netzteil entweder ausgeschaltet oder im Standby Modus.

 

Das Netzteil im Burst Modus unter Nulllast zu betreiben, wird die Leistungsaufname im Leerlauf signifikant verringern, aber das alleine ist meist nicht ausreichend, um die neuen Anforderungen zu erfüllen. Andere Quellen von Ineffizienzen müssen identifiziert und verbessert werden: z.B. die Betriebsleistungsaufnahmen der Steuerungs-ICs, einmal der auf der Primärseite und auch der Gleichrichter auf der Sekundärseite (falls vorhanden). Der Ruhestrom dieser Steuerungs-ICs muss sehr niedrig sein. Steuerungs-ICs der neusten Generation leisten dies, indem sie einige Teile ihrer inneren Stromkreise, die bei Nulllast nicht gebraucht werden, ausschalten. Der Ruhestrom der Rückkopplungsschaltung zusammen mit dem Ruhestrom der Optokoppler für die Ausgangsspannungsregulierung kann ebenfalls reduziert werden. Entladewiderstände, die als Vorlast fungieren und LEDs als „Power-On“ Indikatoren werden nicht mehr verwendet, um Strom unter Nulllast zu sparen.

 

Noch eine Möglichkeit, das Netzteildesign auf höhere Effizienz zu optimieren ist die Art Gleichrichtier, die auf der Sekundärseite eingesetzt wird. Bisher wird eine Diode verwendet, um die Ausgangsspannung des Transformers gleichzurichten, bevor sie zu einer gleichmäßigen DC Spannung gefiltert wird. Der Nachteil der Diode ist der hohe Leitungsverlust. Die Effizienz des Netzteils kann verbessert werden, indem man die Diode durch einen Mosfet, der als ein synchroner Gleichrichter fungiert, ersetzt. Noch vor Inkrafttreten des neuen Level VI Effizienzstandards, hat GlobTek Inc. schon eine neue Linie von Netzteilen zwischen 5 Watt und 250 Watt eingeführt. Für 5W und 10W Leistungsbereiche sind die Modell GT-83083, GT-83084 und GTM43085 bereits erhältlich. Diese drei Modelle kommen mit integrierter USB Buchse. GT-83083 und GT-83084 sind Steckernetzteile mit fixem AC Eingangsstecker. GT-83083 ist ein 5W Modell und in Nordamerika, Australien, China, Europa und UK Version erhältlich, während GT-83084 ein 10W Modell und für Nordamerika, Europa und China erhältlich ist. Beide Modelle haben 5V Ausgangsspannung und sind geeignet für USB Anwendungen.

 

GTM43085 ist ein 10W Steckernetzteil mit wechselbaren Länderadaptern. Sets mit AC Wechseladaptern für verschiedene Länder sind erhältlich, so dass dieses Modell universell einsetzbar ist. Obwohl medizinische Anwendungen vom Level VI Standard ausgenommen sind, ist dieses Modell trotzdem auch medizinisch zugelassen. Ausgangsspannung ist 5V bis 6V mit bis zu 2A. GT-43086 ist ein 6W Steckernetzteil mit wechselbaren Länderadaptern. Es ist erhältlich mit Ausgangskabel, welches in Länge, Dicke und Anschlusstecker nach Kundenwunsch angepasst werden kann. Die Ausgangsspannung kann in der Produktion auf alles zwischen 5V und 24V eingestellt werden, mit maximal 6W Leistung. GT-43088 hat etwas mehr Leistung (18W) und ist ebenfalls ein Steckernetzteil mit wechselbaren Länderadaptern und festem Ausgangkabel, welches nach Kundenwunsch angepasst werden kann. Die Ausgangsspannung für dieses Modell kann in der Produktion auf alles zwischen 5V und 24V eingestellt werden, mit maximal 18W Leistung.

 

Für mittlere Leistungsanforderungen gibt es ein Tischnetzteil in drei verschiedenen AC Eingangsversionen. Das GT-43090 ist ein 20W AC/DC Netzteil erhältlich in IEC 60320 C14 und C6 Konfiguration mit 3-Pin Eingang oder C8 mit 2-Pin Eingang. Ausgangsspannungen sind zwischen 5V und 6V mit bis zu 4A Strom.

Im hohen Leistungsbereich sind zwei Tischnetzteil-Modelle erhältlich. Das 180W GTM3057 und das 250W GTMF3058 mit eingebauter Leistungsfaktorkorrektur. Die Ausgangsspannung kann in der Produktion auf alles zwischen 12V und 56V mit bis zu 18A eingestellt werden. Für das Ausgangskabel können kundenspezifische Anforderungen hinsichtlich Länge, Kabeltyp und Anschlussstecker berücksichtigt werden. Beide Modelle sind auch für medizinische Anwendungen zugelassen und zertifiziert.

Alle oben genannten Modelle haben regulierte Ausgangsspannung, eingebauten Überstrom-, Kurzschluss-, Überspannungs- und Übertemperaturschutz. Sie haben sehr niedrigen Ableitstrom, sehr geringes Rauschen und geringe Welligkeit. Detailierte technische Spezifikationen, Zulassungen, Zertifikate, Ausgangsstecker-Optionen und weiteres finden Sie unter folgendem Link:

http://en.globtek.com/power-supply-selector/?Efficiency__c=VI

Obwohl bis heute externe Netzteile, die in medizinischen Anwendungen eingesetzt werden bei den meisten weltweiten Verordnung betreffend Energieeffizienz ausgenommen sind, sind GlobTek Level VI Produkte qualitativ genauso hochwertig aufgebaut wie Netzteile, die nach medizinischen Standards aufgebaut sind. Einige der GlobTek Level VI Modell haben auch medizinische Zulassungen.