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www designelektronik de DESIGN&ELEKTRONIK 13 2020 43 zent erzeugt immer noch 100 W Wärme Es ist jedoch nicht nur die eigene Verlustleistung die dazu führt dass das Netzteil bei erhöhten Temperaturen arbeiten muss Der größte Teil der Energie den das Netzteil ja an die Elektronik liefert endet schließlich auch als Verlustwärme innerhalb des Gehäuses Einige Netzteile können auch außerhalb ihres Gehäuses zum Antrieb von Lasten wie Motoren verwendet werden All diese Faktoren tragen zur thermischen Gesamtlast und zum Wärmeanstieg des Produkts bei Thermische Belastung tritt in zwei Formen auf statisch und dynamisch Eine statische thermische Belastung bedeutet einen Betrieb bei konstant erhöhten Temperaturen wodurch Bauteile und ihre Grundmaterialien verschlechtert beziehungsweise geschädigt werden Großvolumige Kondensatoren können austrocknen oder ihre Dichtungen werden überbeansprucht und sogar Widerstandsbeschichtungen können sich verschlechtern und brechen Verbindungsstellen und Steckbereiche können sich ausdehnen und Fehlanpassungen aufweisen Dynamische thermische Belastungen sind mit den Aufheizund Abkühlzyklen verbunden die auftreten wenn die Versorgung von niedriger auf hohe Last wechselt und umgekehrt oder einund ausgeschaltet wird Bei jeden Mal dehnen sich die Strukturen und Verbindungen aus und ziehen sich zusammen sodass schließlich Mikrorisse aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Materialien entstehen Bild 1 Solche wiederholten Zyklen können zu Brüchen und Ausfällen führen und beeinflussen sich gegenseitig sodass es schwierig ist die schlechtere Produktzuverlässigkeit abzuschätzen die sie tatsächlich verursachen Bei mechanischer Beanspruchung hängt der Schweregrad davon ab wie und wo das Netzteil montiert und verwendet wird Diese Belastung kann zeitliche intermittierende als auch Totalausfälle verursachen da sich Risse bilden Schaltkreise öffnen und in einigen Fällen auch wieder verbinden Möglicherweise ist das Netzteil bei normalem Gebrauch Vibrationen ausgesetzt oder die Leiterplatte Anschlüsse oder Verkabelung verbiegen sich unerwartet Mechanische Belastungen können auch durch einen unsachgemäßen Herstellungsprozess verursacht werden zum Beispiel durch ein zu fest angezogenes Befestigungselement Elektrische Belastung tritt auf wenn ein Bauteil über seinen Nennwert hinaus betrieben wird entweder durch schlechte Auswahl oder durch einmalige Ereignisse So kann ein Kondensator für 100 Vausgelegt sein erfährt aber während des Betriebs eine Spannungsspitze mit 150 V Oder ein Widerstand wird spezifiziert der bis zu 1 A Strom handhaben soll und einem bestimmten maximalen absoluten Spitzenleistungspegel entspricht Im Betrieb erfährt er jedoch einen Impuls mit höherem Strom aufgrund von Transienten oder eines externen ESD-Ereignisses Das Ergebnis ist in vielen Fällen vorzeitiges Altern und ein frühzeitiger Ausfall ■ Zuverlässigkeit per Design Das Design auf dem Papier und die Topologie sollten robust und bedacht sein sowie die Auswirkungen der Last Transienten und Störungen berücksichtigen Die erforderlichen Minimalund Maximalwerte der Bauteilparameter sind sorgfältig zu bestimmen um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten denn ein »typischer« Wert ist nahezu bedeutungslos Augenmerk sollten Entwickler auch auf die Werte für kritische Parameter der zweiten und dritten Ebene legen beispielsweise weniger bekannte Faktoren der magnetischen Bauteile wie den Temperaturkoeffizienten einiger Parameter Um das Design zu verifizieren ist SPICE ein Simulationsprogramm mit Schwerpunkt auf integrierte Schaltkreise oder eine ähnliche Modellierung unerlässlich Dabei sollten realistische nicht vereinfachte Modelle der Bauelemente der Leiterplatte und der Leiterbahnen zum Einsatz kommen um die statische als auch die transiente Bild 1 Aufgrund der dynamischen Beanspruchung von Bauteilen in Stromversorgungen können Mikrorisse entstehen Bild 2 Bei einem Lastsprung beispielsweise von 12 5 Aauf 37 5 Aund wieder zurück blaue Kurve ist zu sehen dass die Spannung schwarze Linie einbricht und überschwingt Damit dies in akzeptablen Grenzen bleibt Leiter stromführende Pfade und Massepfade ausreichend niederinduktiv ausgelegt sein