PwrBlock: Prototyp-Netzteil-Tests

PwrBlock: Open-Source-programmierbare Stromversorgung – Erste Prototyp-Tests und zentrale Spezifikationen

PwrBlock ist eine Open-Source-Stromversorgung mit programmierbaren Funktionen, speziell für Prüfstände und die automatisierte Validierung elektronischer Schaltungen entwickelt. Das Projekt ist vom Schaltplan zur funktionsfähigen Hardware übergegangen: Prototypen wurden aufgebaut, grundlegende Betriebsmodi getestet und zentrale technische Daten verifiziert. Das Gerät liefert stabile, präzise überwachte Leistung – ohne Modifikationen an kommerziellen Messgeräten.

Kernkomponenten des Blocks

Der Prototyp setzt Prioritäten auf Kompaktheit, Messgenauigkeit und steuerbare Schnittstellen. Zu den zentralen Bausteinen zählen:

• TPS25983-Schutz-IC: Eingangsspannungsbereich 2,7–26 V; integrierter FET-Schalter mit nur 2,7 mΩ Einschaltwiderstand bei 20 A.
• STM32G0C1CE-Mikrocontroller: Cortex-M0+-Kern mit 64 MHz Taktfrequenz, 512 KB Flash-Speicher und eingebautem USB-C-PD-Controller – ein separater PD-Chip entfällt vollständig.
• INA229-Strom-/Spannungsmonitor: Bis zu 85 V, 20-Bit-Auflösung, SPI-Schnittstelle, schwellwertgesteuerte Interrupts sowie interner Temperatursensor (±1 °C Genauigkeit). Misst Strom, Spannung, Leistung und Energie – werkseitig kalibriert, keine manuelle Kalibrierung durch den Nutzer erforderlich.
• LM51772-DC-DC-Wandler: Buck-Boost-Topologie, über I²C konfigurierbar.

// Beispiel für einen typischen I²C-Befehl zur Konfiguration des LM51772 (Pseudocode)
write_i2c(0x40, REG_VOUT, 32000);  // 32 V
write_i2c(0x40, REG_ILIM, 3000);   // 3 A

Zusammengenommen ermöglichen diese Komponenten eine Ausgangsspannung von 1–32 V und bis zu 3 A Dauerstrom.

Belastungstest bei maximaler Leistung

Der Prototyp wurde drei Stunden lang kontinuierlich mit 32 V / 3 A (96 W Ausgangsleistung) betrieben. Testbedingungen: Laborstromversorgung (kein Netzanschluss), elektronische Last, nackte Leiterplatte – ohne Gehäuse oder Kühlkörper.

Ergebnisse:

| Parameter | Wert |

|-----------|------|

| Eingangsleistung | 103,64 W |

| Ausgangsleistung | 96,17 W |

| Wirkungsgrad | 92,7 % |

| Verlustleistung | 7,47 W |

Der Wirkungsgrad entspricht den theoretischen Vorhersagen. Die Thermografie ergab: Induktorkörper bei 80 °C, DC-DC-IC bei 71–72 °C, thermische Pads auf der Unterseite bei 86 °C. Der Induktor ist für bis zu 165 °C zugelassen – thermische Überlastung trat nicht auf. Empfehlung: Befestigung des Induktors verstärken und thermisches Interface-Material zur besseren Wärmeableitung ergänzen.

Spannungs- und Stromregelung

Die Spannung wird digital per I²C eingestellt: 10-mV-Schritte (1–24 V), 20-mV-Schritte (3,3–32 V). Ein nicht dokumentiertes, aber voll funktionsfähiges analoges Feinabstimmungsfeature steht über den ATRK-Pin des LM51772 zur Verfügung – mit einer Auflösung von 1 mV.

Für die Strombegrenzung unterstützt der LM51772 eine Durchschnittsstromregelung mittels externem Shunt, konfigurierbar über I²C (50-mA-Schritte). Unterhalb von 500 mA ist eine Hardware-Regelung nicht verfügbar. Alternativen:

• Externer ISET-Widerstand, angesteuert vom DAC des Mikrocontrollers: ermöglicht analoge Steuerung unterhalb 1 mA – erzeugt jedoch bei Strömen unter 500 mA ein 6,5-kHz-Rippel.
• Austausch des Shunts: senkt den minimal regelbaren Strom auf 250 mA und erhöht den Maximalstrom auf 3,5 A.
• Softwaregesteuerte Konstantstrom-Modi (CC) für Ströme unter 250 mA.

Hardware-CC-Bereich: 250 mA – 3 A. Digitale Schrittweite: 25 mA.

Gehäuse und mechanisches Design

Das Gehäuse besteht aus 1 mm starkem eloxiertem Aluminium: Lasergravierte Beschriftung, Steifigkeit ausreichend für Kleinserienfertigung. Die Leiterplatte wird über Abstandhalter mit integrierten thermischen Pads befestigt. Problem identifiziert: Die Eloxalschicht isoliert Massekontakte – lokale Abtragung ist zur sicheren Erdung erforderlich. Montagelöcher wurden hinzugefügt, um die Integration in gängige Prüfspannvorrichtungen zu ermöglichen. Der Einschaltknopf wurde auf einen taktilen Druckknopf mit LED-Hinterleuchtung aufgerüstet.

Wichtigste Erkenntnisse

• 92,7 % Wirkungsgrad bei 96 W – nachgewiesen unter realistischen, ungeschützten Belastungsbedingungen.
• Präzise Regelung: 1-mV-Spannungsauflösung, digitale Stromschritte ab 25 mA.
• Der INA229 liefert werkseitig vertrauenswürdige 20-Bit-Messwerte – Kalibrierung entfällt komplett.
• Vollständig Open Source: Selbst bauen, beliebig modifizieren, Funktionalität erweitern.
• Hardwaremäßige Strombegrenzung beginnt bei 250 mA; niedrigere Ströme werden über Software-CC-Modi unterstützt.

Nächste Schritte

Geplante Entwicklungsziele:

• Temperaturkammer- und EMV-Konformitätstests.
• Optimierung der dynamischen Reaktionsfähigkeit.
• Robuste Implementierung des Software-CC-Modus für extrem niedrige Ströme (<250 mA).
• Abschluss und Freigabe der Firmware.
• Entwicklung einer Vorrichtung für die hochdurchsatzfähige Board-Level-Validierung.

PwrBlock integriert sich nahtlos in modulare Prüfstände zusammen mit anderen Open-Source-Bausteinen (z. B. Programmierer, DAQ). Als nächstes folgt CmptBlock – eine I/O- und Messtechnik-Einheit auf Basis des Raspberry Pi Compute Modules.

— Editorial Team