Power- und Board-Lösungen

Power- und Board-Lösungen

Stabile Systeme mit geprüften Bundles

Netzteile, die speziell auf das jeweilig eingesetzte Mainboard abgestimmt sind, sorgen dafür, dass Rechner wie vorgesehen hochfahren und Applikationen bei unterschiedlichem Leistungsbedarf funktionieren. Welche Spannung ein Netzteil liefern muss, legt dabei der ATX-Standard fest. Zudem gilt es, die sogenannten Power Supply Design Guides zu erfüllen. Sie legt u.a. Toleranzen sowie Einschalt- und Timingverhalten fest. Für Anwender bietet sich an, geprüfte und aufeinander abgestimmte Produkte zu nutzen.
Bei der Entwicklung komplexer Systeme für Industrie und Medizintechnik erfordert die Implementierung eines IPC-Systems enormen Zeit- und Testaufwand für die Auswahl passender Komponenten. Als Systemplattform stehen unter anderem leistungsfähige und langlebige Industrie-Mainboards zur Verfügung. Sie bieten flexible und individuell skalierbare Leistungsvielfalt auf Basis aktueller Prozessortechnologien. Zudem verfügen aktuelle Motherboards bereits On-board über eine umfangreiche Ausstattung an I/O-Schnittstellen, leistungsstarker HD-Grafik für mehrere Displays und Out-of-Band-Management für den Service- und Wartungsfall. Mit der entsprechenden Software entsteht die zentrale Intelligenz eines Systems, quasi das Gehirn. Das Herz hingegen bildet das Netzteil: Es sorgt für die sichere und zuverlässige Stromversorgung. Da die Verfügbarkeit des Gesamtsystems maßgeblich von dieser Komponente abhängt, sollte während des Design-In-Prozesses ein besonderes Augenmerk auf die Wahl des passenden Netzteiles gelegt werden. Neben der optimalen Dimensionierung und normgerechten Ausführung eines Schaltnetzteiles ist vor allem das perfekte Zusammenspiel mit dem eingesetzten Mainboard von entscheidender Bedeutung.

Test im hauseigenen Labor

Die Auswahl an Netzteilen und Mainboards am Markt ist heute nahezu unüberschaubar. Obgleich für beide Komponenten detaillierte Design-Guides und Richtlinien gelten, treten in der Praxis bei bestimmten Kombinationen immer wieder kritische Situationen während des Systemstarts, unerklärliche Systemabstürze oder gar Komplettausfälle im rauen Industrieumfeld auf. Hier setzt das Power+Board-Konzept des Stromversorgungsspezialisten Bicker Elektronik an. Grundlage bilden langzeitverfügbare Industrie-Mainboards von Kontron und Fujitsu. In Verbindung mit hochwertigen Medizin- und Industrie-Netzteilen von Bicker Elektronik durchlaufen die Kombinationen im hauseigenen Labor zahlreiche Tests. Die geprüften Bundles sollen Systementwicklern helfen, eine passende – und vor allem zuverlässige – Lösung für eine spezifische Applikation zu finden. Zuverlässigkeit bedeutet bei anspruchsvollen Anwendungen oftmals einen 24/7-Dauerbetrieb und den sicheren Einsatz im erweiterten Temperaturbereich bis 60°C. Kommen die Systeme in Fahrzeugen, Schiffen oder im Produktionsumfeld zum Einsatz, dürfen Vibrationen und hoher Staubgehalt die Funktionsfähigkeit nicht beeinträchtigen. Darüber hinaus ist die Langzeitverfügbarkeit der eingesetzten Komponenten, verbunden mit einem professionellen Lifecycle-Management, unabdingbar. Solch ambitionierte Qualitätsansprüche können letztlich nur mit starken Partnerschaften zwischen Netzteil- und Mainboard-Herstellern erfüllt werden. So hat die Kontron AG bereits Anfang des Jahres 2011 ihren langjährigen Lieferanten Bicker Elektronik zum Preferred Supplier im Bereich Stromversorgung ernannt.

Abhängigkeiten beim Netzteil-Design berücksichtigen

Durch die breite Auswahl an Netzteilen, die das Power+Board-Testprogramm durchlaufen, trägt der Anbieter dem sehr unterschiedlichen Leistungsbedarf verschiedenster Applikationen Rechnung. Mit Ausnahme von Mainboard-Serien, die direkt durch eine Single-Spannung – wie 24 VDC – versorgt werden können, wird in der Regel ein ATX-konformes Set an DC-Spannungen benötigt, um Mainboards und deren Peripherie betreiben zu können: Die Hauptspannungen von 12,5 und 3,3V sowie die Nebenspannungen von -12V und 5V-Standby. Letztere lässt sich mit Hilfe eines separaten Transformators und Regelkreises innerhalb des Hauptnetzteiles realisieren und agiert unabhängig von den Hauptausgangsspannungen. Klassisch werden die drei Hauptspannungen aus einem Transformator durch entsprechende Abgriffe generiert, wobei die 3,3V in der Regel von den 5V abgeleitet wird. Derartige Abhängigkeiten einzelner Ausgangsspannungen zueinander müssen regelungstechnisch beim Netzteil-Design berücksichtigt werden. Deshalb setzen aktuelle Netzteile die sogenannte DC-TO-DC-Technik ein. Bei dieser Technologie werden aus einer starken 12V-Hauptspannung alle weiteren Ausgangsspannungen, außer 5V-Standby und -12V, mithilfe separater DC/DC-Wandlermodule erzeugt und unabhängig voneinander geregelt. Dies hat neben einer höheren Energieeffizienz den Vorteil, dass sich Laständerungen an einer Ausgangsspannung unabhängig von den anderen Spannungen ausregeln lassen und hierdurch alle Ausgänge wesentlich stabiler sind.

In der Toleranz trotz Lastsprüngen

Hier greift zudem eine der zentralen Forderungen der Power Supply Design Guides: die Einhaltung der Spannungstoleranzen an allen DC-Ausgängen. Die ATX-Norm spezifiziert eine Toleranz von ±5% für 12,5, 3,3V und 5V-Standby, sowie ±10 % für den -12V-Ausgang. Das bedeutet, dass beispielsweise die +12 V-Schiene unter keinen Umständen unter +11,4V fallen bzw. +12,6V übersteigen darf. Kritisch werden diese Rahmenbedingungen für ein Schaltnetzteil immer dann, wenn es im Bereich seiner Minimal- bzw. Maximallast arbeitet oder hochfrequente Lastsprünge ausgleichen muss. Dynamische Laständerungen entstehen auf dem Mainboard, wenn die CPU vom Standby-Modus, dem Leerlaufprozess oder dem Idle-Mode, in einen rechenintensiven Zustand wechselt oder umgekehrt. Gleiches gilt für den teils stark schwankenden Leistungsbedarf von Grafikkarten und Peripheriegeräten. Dann ist die Regelung des Netzteiles gefordert, die sprungartige Laständerung innerhalb von Sekundenbruchteilen ohne signifikanten Einbruch oder Überschwingen der Ausgangsspannung nachzuregeln und somit innerhalb der definierten Grenzwerte zu bleiben. Anderenfalls kann es zu undefinierten Reaktionen oder gar Abstürzen des Rechnersystems kommen. Im Labor wird diese Situation mit dem jeweiligen Netzteil reproduzierbar getestet: Zusätzlich zur Stromversorgung des Testsystems mit Mainboard, CPU, Lüfter, RAM, SSD/HDD- und CD-Laufwerk wird an den 5V- und 12V-Netzteilausgängen jeweils eine mit 100Hz pulsierende elektronische Last angeschlossen, welche die zusätzliche Belastung bis hin zur Maximallast simuliert. Der gleiche Test wird mit statischen Zusatzlasten wiederholt. Während der Messungen läuft auf dem Testsystem eine definierte Burn-In-Testsoftware. Die Messergebnisse zeigen schließlich, in welchem Toleranzbereich sich die Ausgangsspannungen der jeweiligen Power+Board-Kombination bewegen und stellen die Einhaltung der Grenzwerte sicher, selbst an den Belastungsgrenzen des Netzteiles.

Unter Beobachtung: Einschalt- und Timingverhalten

Doch bevor ein Rechnersystem im Normalbetrieb arbeiten kann, muss es zunächst erfolgreich starten. Was trivial klingt, ist oftmals der Grund für viele Stunden mühsamer Fehlersuche bei der Systementwicklung. Deshalb widmen sich gleich mehrere Einzeltests beim Power+Board-Programm der Untersuchung des Einschalt- und Timingverhaltens. Beim Einschaltvorgang wird zunächst das Startsignal (PS_ON#) vom Mainboard an das Netzteil übergeben. Die Spannungen an den Netzteilausgängen müssen sich nun in einer – durch das Power Supply Design Guide definierten – zeitlichen Abfolge zueinander aufbauen. Im Falle der ATX-Spezifikation ist es zunächst notwendig, dass jede einzelne Spannung innerhalb eines Zeitfensters von 0,1ms bis 20ms, der sogenannten Risetime, ihren nominalen Regelungstoleranzbereich erreicht hat. Bei ±5% Toleranz würde dies 95% des Nominalwertes entsprechen, z.B. +11,4 V am +12 V-Ausgang. Die ansteigende Spannungsflanke oder Ramp muss hierbei zu jedem Zeitpunkt gleichmäßig und ununterbrochen, also ‚Smooth and Continuous‘, in positiver Richtung verlaufen. Hinsichtlich der drei Hauptspannungen gilt, dass die 3,3V-Schiene ihren Regelungstoleranzbereich maximal 20ms nach der 12V- bzw. 5V-Schiene erreicht haben muss. Die Einhaltung dieses Zeitbereiches ist nicht nur für das perfekte Zusammenspiel von Netzteil und Mainboard entscheidend: ATX-konforme Erweiterungskarten, wie z.B. Framegrabber, verzeihen eine Überschreitung der 20ms-Grenze meist nicht und verweigern ihren Dienst bzw. verhindern den erfolgreichen Systemstart. Während der Spannungsanstiegszeit darf zudem die Ausgangsspannung an 12V und 5V zu keiner Zeit unter das Spannungsniveau des 3,3V-Ausganges fallen. Liegen die Spannungen stabil an, übergibt das Netzteil ein High-Signal (5VDC) auf der Power-Good-Leitung (PWR_OK) an das Mainboard. Ein Low-Signal (0VDC) würde dem Mainboard einen Fehler signalisieren und einen Reset auslösen: Das System startet nicht. Die Einschaltverzögerung, also die Zeit zwischen dem Erreichen der Regelungstoleranzbereiche und dem Power-Good-Signal, muss sich ebenfalls in einem definierten Zeitfenster von 100 bis 500ms (PWR_OK delay) bewegen.

Spitzenströme meistern

Parallel zu den Spannungen werden im Testlabor die Einschaltströme in ihrem zeitlichen Verlauf gemessen und analysiert. Im Einschaltmoment werden durch kapazitive Lasten in Form von Kondensatoren und Schaltreglern auf Mainboard und Systemkomponenten sehr hohe Ströme verursacht. Die erfassten Daten geben Aufschluss darüber, welche Einschaltspitzenströme das Netzteil innerhalb eines bestimmten Zeitabschnittes sicher liefern muss. Neben den definierten kapazitiven Lasten in der ATX-Norm ist vor allem die Erfahrung der Testingenieure bei der Beurteilung der Oszillogramme gefragt. Da es gilt, kritische Anstiegsflanken und mögliche Konflikte sicher zu erkennen und zu beurteilen. Im schlimmsten Falle würde das Netzteil bzw. das Gesamtsystem den Systemstart verweigern. So manifestiert sich auch im Einschaltverhalten die Qualität der leistungselektronischen Ausstattung eines Schaltnetzteiles und dessen Vermögen, derartige Extremsituationen zu meistern. Die Testergebnisse und Netzteilempfehlungen für das jeweilige Mainboard stellt Bicker Elektronik in einer Auswahlmatrix übersichtlich dar und Online zur Verfügung. Passend zu den Power+Board-Bundles bietet das Elektronikunternehmen Prozessoren, Speicher und Zubehör an.

Bicker Elektronik GmbH
www.bicker.de

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