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Reduktion von Spannungsverlust in Stromversorgungen

| Autor / Redakteur: Dirk Müller * / Gerd Kucera

Bild 1: Visualisierung der Stromdichte an einem Hotspot.
Bild 1: Visualisierung der Stromdichte an einem Hotspot. (Bild: FlowCAD)

Bei Boardstrukturen mit niedrigen Spannungen und hohen Strömen ist der Spannungsabfall auf Leiterbahnen nicht vernachlässigbar. Die Gleichstrom-Analyse deckt thermische und elektrische Gefahren auf.

Die Spannungsverluste auf Leiterplatten waren in der Vergangenheit bei Versorgungsspannungen von 5 V vernachlässigbar. Hier spielte der Spannungsabfall, der durch den ohmschen Widerstand der Zuleitungen und Versorgungslagen entstand, keine Rolle.

Die Netzteile hatten eine Toleranz von 5% was 250 mV entsprach. Da die Miniaturisierung in fast allen Branchen gewünscht ist, bleibt der Trend nach kleineren und leistungsfähigeren integrierten Schaltungen bis heute ungebrochen.

Dieser Miniaturisierungstrend folgt dem Moore’schen Gesetz mit einer Verdoppelung der Funktionalität alle 18 Monate. Gleichzeitig werden die Strukturgrößen für die integrierten Schaltkreise immer feiner. In der guten alten 5-V-TTL-Technologie hatten die ICs noch 0,600 µm Gatter-Strukturgröße.

Bei heutigen 1,2-V-Bausteinen sind 0,130 µm (bzw. 130 nm) schon normal. Spezielle ICs haben inzwischen schon 28 nm und im Labor gibt es schon heute bereits die ersten funktionsfähigen 9-nm-Chips.

Die Reduktion der Strukturgrößen bringt gleich mehrere Vorteile. Es können mehr Funktionen auf gleichem Raum untergebracht werden, die ICs werden so leistungsfähiger. Die Versorgungsspannungen lassen sich von 5 auf 1,2 V senken. Zwischen den beiden Spannungswerten ergibt sich ein rechnerischer Faktor von 4,17 (5/1,2). Durch die zusätzlichen Funktionen in den Schaltkreisen bleibt die Leistungsaufnahme für die Bauteile aber fast konstant. Nach der Formel P=U*I für die elektrische Leistung bedeutet dies, dass der Versorgungsstrom vom Netzteil um diesen Faktor ansteigen muss.

Netzteile haben in der Regel eine Toleranz von 5%, das bedeutet bei 5 V eine Toleranz von 250 mV und bei 1,2 V nur noch eine Toleranz von 60 mV. Auch hier finden wir den rechnerischen Faktor von 4,17 wieder.

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