Trends bei Leistungssteckverbindern Weniger Spannung, mehr Leistung

Systementwickler stehen vor der Herausforderung, bei gleichzeitigem Ausbau der Gerätefunktionen die Energieeffizienz von Systemen zu erhöhen. Erhöhte Packungsdichte in Racks und Stromversorgungen mit immer mehr Leistung erfordern ein effektives Wärmemanagement. Auf Ebene der Leistungssteckverbinder muss dies zu Produkten mit weniger Leistungsverlusten, höherer Stromtragfähigkeit und gleichzeitig mit niedrigeren Bauhöhen führen, um die Luftströmung zur Wärmeabfuhr zu optimieren.

Bei den bekannten »Social Networks« fallen Unmengen von Daten an, die verarbeitet und übertragen werden müssen. Hinzu kommen noch Anwendungen für Echtzeit-Übertragung. Der Trend zur totalen Vernetzung hält weiter an; jeden Tag kommen neue Nutzer hinzu, die einen Zugang zum Netz an jedem Ort fordern - und das zu niedrigsten Kosten (Bild 1).

Die Übertragung und Verarbeitung von Daten ist die eine Seite; die andere Seite ist die Bereitstellung der dazu notwendigen Leistung. Wenn man bedenkt, dass eine Google-Suche etwa 3 W Leistung konsumiert, ist das im Einzelnen nicht viel, jedoch global hochgerechnet ergeben sich hier enorme Werte für den Leistungsverbrauch. Getrieben durch den Halbleitermarkt hat sich, um Energie zu sparen, die Signalspannung in den letzten Jahren drastisch reduziert.

Durch die steigende Zahl an Funktionen wird dennoch mehr Leistung benötigt. Dadurch steigt die Höhe des Stroms. Des Weiteren entstehen in älteren Systemen durch Modernisierung und Erweiterung verschiedene Spannungsebenen. Da nun also der stetig steigende und schnellere Datendurchsatz immer mehr Leistung benötigt, resultieren unter anderen folgende Marktanforderungen für Stromversorgungen:

  • höhere Effizienz (weniger Leistungsverluste),
  • höhere Leistungsdichte,
  • kleinere Bauformen,
  • erweiterter Funktionsumfang,
  • erweiterte Modularität und
  • Kostensenkung (Komponenteneinkauf und Gesamtkosten).

Generell gelten die genannten Anforderungen an Stromversorgungen ebenso für Steckverbinder, jedoch bedarf es hier einer detaillierteren Betrachtung.

Allgemeine Bauformen

Für Hochstromanwendungen werden oft gedrehte Präzisionskontakte verwendet.

Allerdings sind die Herstellungs- und Materialkosten für solche Kontakte relativ hoch. Steckerhersteller sind in den letzten Jahren mehr und mehr dazu übergegangen, für Leistungssteckverbinder gestanzte und geformte Kontakte zu verwenden.

Der Vorteil hierbei ist der niedrigere Materialeinsatz, höhere Taktzeiten beim Fertigen (Stanzen statt Drehen) und die Möglichkeit einer selektiven Beschichtung nur an Stellen, wo eine gewisse Schichtdicke nötig ist (Bild 2).

Auch in der Gehäusetechnik hat sich einiges getan. War man früher auf standardisierte Gehäusekonfigurationen angewiesen, etwa auf hartmetrische Steckverbinder oder auf einzelne Leistungs- und Signalmodule, die dann je nach Wunsch in einzelnen Arbeitsschritten auf der Leiterplatte platziert wurden. So setzen sich seit ein paar Jahren mehr und mehr flexible Steckergehäuse durch, die mit Hilfe von modularen Spritzwerkzeugen hergestellt werden (Bild 3).

Damit ist ein Teil der Anforderung an höhere Modularität erfüllt. Darüber hinaus ist es wichtig, sämtliche Arten von Board-zu-Board-Verbindungen realisieren zu können, also konventionelle Rückwandverbindungen, orthogonale, koplanare und Mezzanine-Verbindungen. Auch sollte bereits bei der Steckerentwicklung die Möglichkeit von I/Os und Kabel-zu-Kabel-Verbindungen in Betracht gezogen werden.

Effizienz und Leistungsverluste

Einen wesentlichen Anteil an Leistungsverlusten hat der Übergangswiderstand der Kontakte. Der Steckbereich von Messer und Buchse ist sehr kritisch und lässt sich als ein »Hot Spot« bezeichnen.

Die Beschichtung der Kontakte spielt hier eine wichtige Rolle, um nach Umweltbelastungen wie Vibration, Schock, Hitze, Feuchte oder Schadgas, die im Betrieb vorkommen, Verschleißerscheinungen und Korrosion so gering wie möglich zu halten.

Diese würden den ohmschen Widerstand und somit die Verluste nach oben treiben. Auch eine zu geringe Kontaktkraft führt zu höheren Übergangswiderständen. Sie sollte so hoch wie möglich und gleichzeitig so gering wie nötig gewählt werden, um die Verbindung noch stecken beziehungsweise lösen zu können.

Auch die Anbindung zur Leiterplatte stellt einen kritischen Punkt dar, würde aber im Rahmen dieses Artikels zu weit führen.

Neben dem Einsatz von gut leitenden Kupferlegierungen beeinflusst auch die Kontaktgeometrie den Widerstand.

So kann man einen einzelnen Kontakt aus mehreren parallelgeschalteten Fingern erzeugen.

Somit ist der Gesamtwiderstand des Kontaktes kleiner als jeder einzelne Widerstand eines Fingers. Dadurch wird auch eine Redundanz bei der Verschlechterung eines einzelnen Kontaktfingers oder bei kurzzeitiger Kontaktöffnung durch Prellen gewährleistet (Bild 4).

Die Leistungsverluste steigen auch, wenn sich im Betrieb aufgrund der Umgebung und der Leistungsverluste im Stecker die Kontakte erwärmen.

Zur verbesserten Abfuhr von Wärme werden im Gehäuse Lüftungsschlitze ausgespart, um innerhalb der Steckverbinder für eine bessere Luftzirkulation zu sorgen (Bild 5).

Dadurch lässt sich der Übergangswiderstand signifikant verringern. Bild 6 vergleicht den Übergangswiderstand eines herkömmlichen Leistungsrandkartensteckers mit dem einer neuen Generation, der Öffnungen zur Wärmeabfuhr besitzt.