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Der geringe Kupfergehalt (links) begrenzt den Stromfluss, während mit einem höheren Kupferanteil (rechts) eine größere Stromdichte  erzielt wird.
Die Wärmeentwicklung verschiedener Materialien: Eine angemessene Größe der Kupfer-Leiterbahnen sorgt für niedrige Temperaturen.

Anders als Signalstecker, die trotz höherer Übertragungsgeschwindigkeiten dennoch kleiner werden, erfordern Leistungsstecker eine bestimmte Menge an leitfähigem Material, damit sie einen bestimmten Strom beziehungsweise eine bestimmte Stromstärke übertragen können. Es gibt hier einfach keine speziellen Tricks oder Techniken, die es kleineren Leistungskontakten ermöglichen, höhere Ströme zu übertragen. Die Entwicklung von störungsarmen Schnittstellen stellt zwar eine Verbesserung dar, aber infolge eines höheren Leistungsbedarfs steigt gleichzeitig der benötigte Platz für höhere Strombelastbarkeit. Bei neuen Systemkonzepten muss zwar häufig eine höhere Leistung über eine begrenzte Fläche fließen, andererseits gibt es aber eine Reihe von Faktoren, die die Dichte eines Designs beeinflussen und bestimmen. Sie geben an, für welche Leistungen es sich tatsächlich eignet. Ein klares Verständnis dieser einzelnen Elemente ist wichtig, wenn Systeme im Hinblick auf hohe Leistungsintegrität und Sicherheit erfolgreich entwickelt werden sollen.

Platzbedarf und Leistung

Zunächst einmal muss untersucht werden, wie viel Platz für einen Leistungsstecker benötigt wird und natürlich auch, wie viel des verfügbaren Platzes im Design des Endprodukts überhaupt dafür vorgesehen ist. Auf dem Reduzieren des Platzbedarfs liegt für viele OEMs die Priorität, denn die Höhe, Breite und Länge eines Steckverbindes und insbesondere dessen Kupfergehalt beeinflussen die erreichbare Stromdichte. Um der Forderung der Systemarchitekten, immer mehr Leistung auf der gleichen Fläche unterzubringen zu entsprechen, setzen Steckverbinderhersteller Werkstoffe mit höherer Leitfähigkeit ein. Sie nutzen den vorhandenen Platz kreativer und verbessern die Leistungsübertragung sowie die elektrische Leistung. Beispielsweise kann ein flacherer Stecker vorteilhaft sein, um die Luftströmung zu maximieren. In einer anderen Applikation kann ein höherer Stecker mit besseren Kontakteigenschaften die ideale Lösung sein, da er zur Aufnahme der auftretenden Ströme weniger Leiterplattenkantenlänge benötigt. Wichtig ist also, einen optimalen Ausgleich zwischen der Leistung und den auftretenden thermischen Effekten auf der Leiterplatte unter den gegebenen räum­lichen Bedingungen zu erreichen. Er gewährleistet die Sicherheit und Performance des Endprodukts.

Wärmemanagement

Eine schlechte Wärmeableitung wegen Kontakt- oder Engewiderständen und schlechter Kühlluftströmung ist immer problematisch. Deshalb sollten Entwickler gerade diese Einflüsse bereits in einem frühen Stadium der Entwicklung sorgfältig prüfen. Ein Punkt, der dabei eine wichtige Rolle spielt, ist der Kupferanteil der Leiterplatte. Zu wenig Kupfer kann den Stromfluss behindern und zu einem Engewiderstand führen. Eine angemessene Größe der Kupfer-Leiterbahnen senkt den Bahnwiderstand und sorgt darüber hinaus für niedrige Temperaturen und geringe Verluste. Unerwünschte Wärmebildung an die Steckerschnittstelle kann die Zuverlässigkeit negativ beeinträchtigen. Gerade um Wärme- und Engeprobleme zu vermeiden, haben Herstellern von Stromversorgungen inzwischen Zusatzeinrichtungen für Leiterplattenstrukturen entwickelt.

Faktoren für Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Zuverlässig­keit

Auf einen Blick

Der Entwickler muss in der Frühphase des Entwicklungsprozesses von Steckverbindern verschiedene Faktoren berücksichtigen. Grundlegende Prinzipien bei der Konzeption von Leistungssteckern zu beachten, führt nicht nur zu einem intelligenteren Design, sondern fördert auch die elektrische Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit ­einer Verbindungslösung für hohe Ströme.

In dem Maße, in dem der Entwickler in seine Systeme immer mehr Bauteile in zunehmend kleinere Gehäuse einbaut, wird auch das richtige Management des Kühlluftstroms um die Steckverbinder herum wichtiger. Sie sind zum Beispiel an der Schnittstelle zwischen der Stromversorgung und dem Server angeordnet und können die freie Luftströmung behindern. Eine ausreichende Luftströmung rund um den Stecker trägt aber zum Kühlen des Leistungskontakts bei und ermöglicht höhere Ströme und/oder größere Sicherheit. Gleichzeitig befinden sich Steckverbinder häufig an Schlüsselstellen und behindern die Luftzirkulation. Die Kühlung der Steckverbinder hat bei der Bewertung der Luftströmung keine hohe Priorität. Vom Aspekt der Betriebssicherheit aus betrachtet, muss ein Entwickler das Gesamtsystem und dessen Leistungsarchitektur genau im Auge haben, um zu verstehen, wo potenzielle Engstellen und Spannungsabfälle vorhanden sind, die die thermische und elektrische Leistungs­fähigkeit negativ beeinflussen. Ein maximaler Spannungsabfall von 30 mV setzt dabei üblicherweise die Grenze der thermischen Stabilität für einen Leistungskontakt fest. Sobald dieser Grenzwert überschritten ist, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit einer thermischen Instabilität. Inzwischen entwickeln die Steckerdesign-Hersteller in enger Zusammenarbeit mit ihren Kunden verbesserte Leistungsstecker, die einen sicheren Betrieb und eine zuverlässige Funktion auf kleinerem Raum und bei höheren Temperaturen über eine lange Produktlebensdauer hinweg gewährleisten. Verwendet werden neue Legierungen und Vergussharze, Beschichtungen und verbesserte Kontakttechnologien – dies ermöglicht es, die Stromdichte zu erhöhen, ohne Einbußen bei Sicherheit und Zuverlässigkeit verzeichnen zu müssen.

Risikominderung

Üblicherweise basieren die von den Steckerherstellern für ihre Produkte angegebenen Nennströme auf Prüfungen unter Idealbedingungen. Diese veröffentlichten Nennwerte sind zwar im Hinblick auf die gemessenen Größen korrekt, aber sie ergeben nur selten ein umfassendes Bild, weil die unterschiedlichen Bedingungen und Wechselwirkungen in der Umgebung, in der der Stecker eingesetzt wird, normalerweise nicht berücksichtigt werden. Deshalb ist es bei OEMs üblich, die Stecker herabzustufen, um so einen thermischen Sicherheitsfaktor relativ zu den in den Unterlagen angegebenen Nennwerten der Produkte sicherzustellen. Manche verwenden dazu ein einfaches Verfahren, wie das Prüfen einer niedrigeren und einer höheren Pinzahl. Betrachtet wird auch die grafische Darstellung verschiedener Temperaturanstiege als Funktion des Stroms mit Angabe einer geringeren Strombelastbarkeit bei höheren Pinzahlen. Andere Kunden verwenden einen willkürlichen Prozentsatz. Wenn also ein Lieferant ein Produkt mit 100 A spezifiziert, würde dieses automatisch um 30 Prozent herabgesetzt, um Sicherheit gegen Überhitzung zu bieten. Den Steckverbinder-Herstellern ist dies bekannt, und sie arbeiten daher eng mit den Entwicklungsteams der OEMs zusammen, damit sie den ausgewählten Steckverbinder, basierend auf wissenschaftlichen Prüfungen und Leistungsanalysen, unter realen Anwendungsbedingungen, an die jeweilige Anwendung anpassen können. Um genaue Nennwerte zu erhalten, führen die Hersteller umfassende Prüfungen durch und nutzen Verfahren zum Erstellen prädiktiver Modelle wie die Analyse der Jouleschen Erwärmung mit Hilfe der Finite-Element-Methode oder die numerische Strömungsdynamik (Computational Fluid Dynamics), mit Stecker- und Leiterplattengeometrie, Materialeigenschaften, Strom, Kon­takt­wider­ständen (tatsächlich gemessene Werte) und Luftströmung als Eingangsparameter. So können sie die Leistungsfähigkeit der einzelnen Verbindungsprodukte abschätzen und ihre Kunden fundiert beraten, welches ihrer Produkte für ihre Anwendungen am besten geeignet ist. Eine Simulation oder Prüfung aller denkbaren Umgebungsbedingungen ist nicht praktikabel, diese Modelle und Analysen können die Entwickler jedoch ermöglichen, innerhalb von kurzer Zeit intelligente Entscheidungen zu treffen. Dies wird wegen der kurzen Entwicklungszyklen in der Elektronikindustrie immer wichtiger.

Leistungsintegrität planen

Im heutigen wettbewerbsbetonten und von Trends gekennzeichneten Technologieumfeld – in dem kompakte Bauweise, Übertragungsgeschwindigkeit und die Integrität von Signalen und Leistungsver­sorgung an vorderster Stelle stehen – können die Vorzüge einer proaktiven Systemauslegung für eine hohe Leistungsintegrität gar nicht hoch genug bewertet werden. Größere Anforde­rungen an die Rechenleistung erhöhen die Nachfrage nach größeren Leistungen. Gleichzeitig werden die Entwicklungszyklen immer kürzer und lassen den Entwicklern nur wenig Zeit für wichtige Entscheidungen. Ein klares Verständnis aller Anforderungen in einem frühen Stadium der Entwicklung vor der Spezifikation einer Verbindungslösung trägt dazu bei, dass die richtigen Entscheidungen getroffen und teure Fehlentwicklungen vermieden werden können. Noch wichtiger ist aber, dass OEMs und ihre Produktentwickler durch eine sorgfältige Auslegung für hohe Leistungsintegrität die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit ihrer Produkte optimieren, um letztendlich höhere Umsätze zu generieren und Kundenzufriedenheit sicherzustellen.