Power Density: Warum die Leistungsdichte bei Netzteilen immer wichtiger wird

Doch was bedeutet Power Density eigentlich und warum ist sie für Entwickler industrieller Anwendungen so wichtig?

Was bedeutet Power Density?

Die Leistungsdichte beschreibt, wie viel elektrische Leistung ein Netzteil im Verhältnis zu seinem Bauvolumen bereitstellen kann. Üblicherweise wird sie in Watt pro Kubikzoll (W/in³) angegeben.

Ein einfaches Beispiel: Zwei Netzteile liefern jeweils 300 W. Das kompaktere Netzteil besitzt eine höhere Leistungsdichte und benötigt entsprechend weniger Platz im Endgerät.

Für Entwickler bedeutet das mehr Freiheit beim Gerätedesign, insbesondere dann, wenn Gehäuse, Platine oder System nur begrenzten Raum für die Stromversorgung bieten.

Warum wird eine hohe Leistungsdichte immer wichtiger?

Elektronische Geräte werden zunehmend kompakter, während gleichzeitig mehr Funktionen und Leistung integriert werden sollen.

Das betrifft unter anderem:

• industrielle Steuerungen
• Automatisierungsgeräte
• Mess- und Prüftechnik
• Kommunikationssysteme
• Embedded-Systeme
• industrielle Computer
• medizinische Geräte und Peripheriesysteme

Die Stromversorgung muss dabei zuverlässig die benötigte Leistung liefern, darf aber möglichst wenig Bauraum beanspruchen.

Eine hohe Leistungsdichte kann deshalb einen entscheidenden Vorteil beim Design des Gesamtsystems bieten.

Kleine Bauform bedeutet nicht automatisch hohe Leistungsdichte

Bei der Auswahl eines Netzteils sollte jedoch nicht ausschließlich auf die Abmessungen geachtet werden.

Ein sehr kleines Netzteil kann beispielsweise thermisch stärker belastet sein. Entwickler müssen deshalb mehrere Faktoren gleichzeitig betrachten:

Leistung → Baugröße → Wirkungsgrad → Wärmeentwicklung → Temperaturbereich → Zuverlässigkeit

Eine hohe Leistungsdichte ist daher immer im Zusammenhang mit dem Wirkungsgrad und dem thermischen Konzept des Netzteils zu betrachten.

Der Wirkungsgrad spielt eine entscheidende Rolle

Ein hoher Wirkungsgrad reduziert die Verlustleistung eines Netzteils.

Je weniger Energie in Wärme umgewandelt wird, desto einfacher lässt sich die entstehende Wärme aus dem System abführen.

Das ist insbesondere bei kompakten Geräten wichtig. Denn je kleiner der verfügbare Bauraum ist, desto schwieriger kann es werden, Wärme über Kühlkörper, Gehäuse oder Luftzirkulation abzuführen.

Deshalb gehen hohe Leistungsdichte und hoher Wirkungsgrad häufig Hand in Hand.

Fanless-Design und Leistungsdichte

Eine weitere Herausforderung entsteht, wenn ein System ohne Lüfter auskommen soll. Der Verzicht auf aktive Kühlung kann Geräuschentwicklung und bewegliche Komponenten reduzieren, stellt aber gleichzeitig höhere Anforderungen an das thermische Design.

Eine Möglichkeit besteht darin, die Wärme über eine Baseplate direkt an das System oder einen geeigneten Kühlkörper abzuführen. Dadurch kann die Stromversorgung auch bei kompakter Bauform mit einer hohen Leistung betrieben werden.

Ein Beispiel dafür ist die CINCON LFM-Serie. Die AC/DC-Netzteile sind als besonders flache, lüfterlose Lösungen ausgelegt und decken je nach Variante Leistungsbereiche von 200 W bis 750 W ab. Die Bauhöhe beträgt dabei nur rund 25,4 mm bzw. 1 Zoll.

Die industrielle LFM-Serie erreicht je nach Modell eine Leistungsdichte von bis zu rund 37 W/in³. Gleichzeitig sind Varianten mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen von 12 V bis 54 V verfügbar.

Damit zeigt sich sehr deutlich, warum Leistungsdichte nicht isoliert betrachtet werden sollte: Hohe Leistung, kompakte Abmessungen und ein durchdachtes thermisches Konzept müssen zusammenspielen.

Ein Beispiel aus der Praxis: 300 W auf kleinem Raum

Wie sich das in konkreten Zahlen bemerkbar macht, zeigt beispielsweise das CINCON LFM300S.

Das 300-W-AC/DC-Netzteil arbeitet mit einem universellen Eingang von 85 bis 264 VAC, erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 94 % und besitzt eine Bauhöhe von lediglich 25,4 mm. CINCON gibt für das Modell eine Leistungsdichte von 37,1 W/in³ an.

Damit eignet sich eine solche Lösung beispielsweise für Anwendungen, bei denen eine relativ hohe Leistung benötigt wird, gleichzeitig aber nur wenig Einbauraum zur Verfügung steht.

Für medizinische Anwendungen steht mit dem LFM300M außerdem eine entsprechende Variante mit 2xMOPP zur Verfügung. Auch sie bietet bis zu 300 W Leistung bei einer Bauhöhe von nur einem Zoll.

Was bedeutet das für die Entwicklung?

Eine kompakte Stromversorgung kann mehrere Vorteile bieten:

Mehr Platz für andere Komponenten

Wenn das Netzteil weniger Raum benötigt, kann der frei gewordene Platz für Prozessoren, Schnittstellen, Sensorik oder andere Baugruppen genutzt werden.

Kompaktere Geräte

Eine kleinere Stromversorgung kann dazu beitragen, das gesamte Gehäuse kompakter zu gestalten.

Weniger mechanische Komponenten

Lüfterlose Konzepte können in bestimmten Anwendungen eine interessante Alternative zu aktiv gekühlten Netzteilen darstellen.

Einfachere thermische Integration

Bei Baseplate-gekühlten Lösungen kann die Wärme gezielt in das thermische Konzept des Gesamtsystems eingebunden werden.

Worauf sollten Entwickler bei der Auswahl achten?

Die Leistungsdichte allein sollte niemals das einzige Auswahlkriterium sein.

Vor der Auswahl eines AC/DC-Netzteils sollten unter anderem folgende Fragen beantwortet werden:

• Welche Eingangsspannung wird benötigt?
• Welche Ausgangsspannung wird benötigt?
• Wie hoch ist die erforderliche Leistung?
• Gibt es kurzfristige Lastspitzen?
• Wie groß darf das Netzteil maximal sein?
• Welche Umgebungstemperaturen müssen berücksichtigt werden?
• Ist eine aktive oder passive Kühlung vorgesehen?
• Welche EMV-Anforderungen gelten?
• Welche Sicherheitsnormen und Zulassungen sind erforderlich?
• Welche Lebensdauer wird erwartet?
• Wie soll die Wärme aus dem Netzteil abgeführt werden?

Erst aus dem Zusammenspiel dieser Faktoren lässt sich beurteilen, ob ein Netzteil tatsächlich für eine Anwendung geeignet ist.

Power Density ist mehr als nur eine Kennzahl

Eine hohe Leistungsdichte ist kein Selbstzweck. Entscheidend ist, welchen Beitrag das Netzteil zum Gesamtdesign eines elektronischen Systems leistet.

Gerade bei kompakten Industrie- und Medizintechnik-Anwendungen müssen Entwickler häufig mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllen: hohe Leistung, geringe Bauhöhe, niedrige Verlustleistung und zuverlässiges Wärmemanagement.

AC/DC-Lösungen wie die CINCON LFM-Serie zeigen, wie sich diese Anforderungen miteinander kombinieren lassen. Je nach Ausführung stehen industrielle und medizinische Varianten zur Verfügung – von 200 W bis hin zu 750 W.

Fazit

Je kompakter elektronische Systeme werden, desto wichtiger wird die Leistungsdichte der eingesetzten Stromversorgung.

Ein leistungsfähiges Netzteil muss deshalb nicht nur die elektrische Leistung bereitstellen. Es muss sich auch hinsichtlich Baugröße, Wirkungsgrad, Wärmeabfuhr, Zuverlässigkeit und Zulassungen in das Gesamtsystem integrieren lassen.

Die richtige Power Supply ist damit ein wichtiger Bestandteil des Systemdesigns – und nicht nur eine Komponente, die am Ende der Entwicklung ausgewählt wird.

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