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Simulationswerkzeuge Reduktion von Spannungsverlust in Stromversorgungen

| Autor / Redakteur: Dirk Müller * / Gerd Kucera

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

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

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.

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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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