Warum die Übertragung elektrischer Leistung immer schwieriger wird
David Pike | Samtec
Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH
Die verborgene Physik der Stromverteilung
Elektronische Systeme benötigen heute mehr Leistung als je zuvor. KI-Beschleuniger, Hochleistungsprozessoren, Netzwerktechnik und fortschrittliche Embedded-Systeme erhöhen allesamt die elektrische Leistung, die innerhalb eines Systems bereitgestellt werden muss. In der Fachwelt spricht man inzwischen von dem "Power Problem", also die Herausforderung genügend elektrische Leistung an definierten Punkten bereitzustellen.
Moderne Stromversorgungen sind äußerst effizient und erreichen häufig Wirkungsgrade von deutlich über 90 %. Die Umwandlung der eingehenden Energie in nutzbare elektrische Leistung ist jedoch nur ein Teil der Gesamtbetrachtung. Die elektrische Leistung muss anschließend von der Stromversorgung zu den Komponenten gelangen, die sie tatsächlich benötigen.
Auf diesem Weg durchläuft sie ein Netzwerk aus Kabeln, Steckverbindern und weiteren Komponenten. Jede einzelne davon beeinflusst, wie effizient die Leistung letztlich den Verbraucher erreicht.
Vom Netzteil bis zum Silizium
Viele Jahre lang spielte die Stromverteilung bei der Entwicklung elektronischer Systeme eher eine unterstützende Rolle. Der Leistungsbedarf war vergleichsweise gering, und bewährte Techniken beim Leiterplattendesign sowie konventionelle Steckverbinder reichten in der Regel aus, um die benötigte Leistung zuverlässig bereitzustellen. Mit dem zunehmenden Leistungsbedarf stoßen diese herkömmlichen Ansätze jedoch immer häufiger an ihre Grenzen.
Das Stromversorgungsnetzwerk, auch Power Distribution Network (PDN) genannt, beschreibt den elektrischen Pfad, über den die Energie von der Quelle bis zur Last übertragen wird. Häufig wird der Begriff vor allem mit Versorgungslagen auf Leiterplatten, Spannungsreglern und Entkopplungskondensatoren in Verbindung gebracht. Tatsächlich erstreckt sich der physische Strompfad jedoch durch das gesamte System.
Die Energie kann beispielsweise zunächst über ein Kabel in ein Gerät eingespeist werden, anschließend einen Steckverbinder passieren und auf die Leiterplatte gelangen. Dort wird sie über die Leiterplatte verteilt, auf eine niedrigere Spannung gewandelt und anschließend über weitere Kupferlagen und Durchkontaktierungen bis zum Prozessor geführt. Jede einzelne Stufe bringt Widerstände und weitere elektrische Eigenschaften mit sich, die die Leistungsfähigkeit des gesamten Stromversorgungsnetzwerks beeinflussen.
Leistung und Strom
Um die Auswirkungen eines steigenden Leistungsbedarfs zu verstehen, müssen wir eine der bekanntesten Zusammenhänge der Elektrotechnik betrachten:
Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom. Das bedeutet, dass dieselbe Leistung mit sehr unterschiedlichen Kombinationen aus Spannung und Strom übertragen werden kann.
Eine Last von 1 kW, die mit 48 V versorgt wird, benötigt einen Strom von etwa 21 A. Wird dieselbe Leistung bei 12 V übertragen, sind dagegen mehr als 83 A erforderlich.
Dieser Zusammenhang ist insbesondere bei modernen Computersystemen von Bedeutung. Während der Gesamtleistungsbedarf deutlich gestiegen ist, arbeiten Prozessoren mit vergleichsweise niedrigen Spannungen. Die elektrische Leistung kann daher zunächst mit einer höheren Spannung innerhalb des Systems verteilt und erst in unmittelbarer Nähe des Verbrauchers auf die benötigte niedrigere Spannung gewandelt werden. Mit sinkender Spannung steigt der Strom, der erforderlich ist, um dieselbe Leistung zu übertragen.
Dies stellt hohe Anforderungen an die Stromverteilung. Die letzten Abschnitte des Stromversorgungsnetzes überbrücken zwar häufig nur relativ kurze Distanzen, müssen dabei jedoch unter Umständen extrem hohe Ströme übertragen.
Die Kosten des Stroms
Kein praktisch eingesetzter Leiter ist vollkommen widerstandsfrei. Leiterbahnen auf Leiterplatten, Kabel, Durchkontaktierungen, Steckverbinderkontakte und andere leitfähige Elemente bringen jeweils einen gewissen Widerstand in den Strompfad ein. Diese Widerstandswerte können sehr gering sein und liegen häufig im Milliohm-Bereich. Mit steigender Stromstärke gewinnen sie jedoch zunehmend an Bedeutung. Fließt Strom durch diesen Widerstand, entsteht ein Spannungsabfall, wodurch am Verbraucher eine geringere Spannung zur Verfügung steht. Gleichzeitig wird ein Teil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt.
Die zugrunde liegende Physik ist keineswegs neu. Verändert hat sich jedoch die Höhe der Ströme, die in modernen elektronischen Systemen verteilt werden müssen. Wenn Ströme mehrere hundert Ampere erreichen, können Widerstände, die früher vernachlässigbar erschienen, einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems haben.
Ein Netzwerk kleiner Verluste
Daher ist es sinnvoll, die Stromversorgung als Gesamtsystem zu betrachten und nicht lediglich als eine Ansammlung einzelner Komponenten. Ein Kabel kann die elektrische Leistung in das Gerät führen, während ein Steckverbinder sie auf die Leiterplatte überträgt. Kupferflächen verteilen den Strom über die Leiterplatte, und Vias führen ihn zwischen den verschiedenen Lagen. Spannungsregler wandeln die Spannung näher am Verbraucher um, bevor weitere Leiterbahnen und gegebenenfalls zusätzliche Schnittstellen den Versorgungspfad bis zum Prozessor vervollständigen.
Jeder Abschnitt dieses Pfades trägt zur Gesamtleistung des Stromverteilungsnetzes bei. Kleine Spannungsabfälle und ohmsche Verluste summieren sich. Gleichzeitig muss die durch diese Verluste entstehende Wärme aus dem System abgeführt werden. Dadurch ist die Stromverteilung unmittelbar mit dem Wärmemanagement verknüpft. Eine optimierte Stromverteilung ist daher sowohl für die elektrische als auch für die thermische Leistungsfähigkeit von Bedeutung.
Viele dieser Herausforderungen ließen sich durch den Einsatz größerer Mengen leitfähigen Materials reduzieren. Größere Leiter weisen in der Regel einen geringeren Widerstand auf und können höhere Ströme übertragen. Größere Kontakte in Steckverbindern ermöglichen ebenfalls eine höhere Stromtragfähigkeit. Gleichzeitig werden elektronische Systeme jedoch immer kompakter und dichter bestückt. Eine Vergrößerung der Abmessungen des Stromverteilungssystems ist daher nicht immer praktikabel. Entwickler stehen somit vor der Aufgabe, auf begrenztem Raum mehr Leistung bereitzustellen. Stromdichte und thermische Leistungsfähigkeit werden dadurch zu zunehmend wichtigen Kriterien bei der Entwicklung.
Eine sich verändernde Last
Der Leistungsbedarf moderner Prozessoren ist nicht konstant. Ein Prozessor kann bei wechselnder Arbeitslast sehr schnell zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen wechseln. Dabei können innerhalb kürzester Zeit zahlreiche Verarbeitungseinheiten aktiv werden, was zu schnellen Änderungen des Strombedarfs führt.
Das Stromversorgungsnetzwerk muss in der Lage sein, auf diese Veränderungen zu reagieren und gleichzeitig die vom Prozessor benötigte Spannung stabil zu halten. Kapazität, Induktivität, Impedanz und das physische Layout spielen dabei eine wichtige Rolle.
Die Stromverteilung wird Teil der Systemarchitektur
Höhere Verteilungsspannungen können den Strom reduzieren, der über größere Entfernungen übertragen werden muss, während die Spannungswandlung näher an die Last verlagert werden kann. Steckverbindersysteme mit höherer Packungsdichte ermöglichen die Übertragung größerer Ströme, ohne dass dafür entsprechend mehr Leiterplattenfläche erforderlich ist. Dabei handelt es sich längst nicht mehr um isolierte Entscheidungen auf Komponentenebene. Sie beeinflussen die Architektur von Leiterplatten, Chassis, Racks und kompletten Systemen.
KI-Infrastrukturen stellen mit ihrer zunehmenden Rechendichte neue Anforderungen sowohl an die Stromversorgung als auch an das Wärmemanagement. Zusätzliche Rechenleistung ist nur dann sinnvoll, wenn die unterstützende Infrastruktur die erforderliche elektrische Leistung bereitstellen und gleichzeitig die entstehende Wärme zuverlässig abführen kann.
Moderne Elektronik ist auf eine zunehmend effiziente Leistungswandlung angewiesen. Die Herausforderung besteht jedoch immer stärker darin, wie diese Leistung innerhalb des Systems verteilt wird und welcher Anteil davon die Last tatsächlich mit der erforderlichen Spannung erreicht. Die zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge sind gut verstanden, doch die heutigen Leistungsniveaus sorgen dafür, dass selbst sehr kleine Größen zunehmend an Bedeutung gewinnen.
Eine der kleinsten davon ist der elektrische Widerstand.
