Steckverbinder für hohe Ströme
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Steckverbinder für hohe Ströme
Was tun? Mit einem oder zwei zusätzlichen Messerkontakten die mechanische Baugröße erhöhen? Oder den gleichen Steckverbinder mit sechs Messerkontakten mit höherem Temperaturanstieg oder oberhalb der spezifizierten Grenzwerte einsetzen? Oder einen leistungsoptimierten Steckverbinder einsetzen?
Leider tendieren viele Hersteller von Stromversorgungen dazu, den gleichen Stecker mit höherem Temperaturanstieg und eventuell oberhalb der werksseitig spezifizierten Werte einzusetzen, weil die Auswahl eines neuen Steckers bedeuten würde, dass der Steckverbinder größer wird und dadurch die Luftströmung behindert und/oder die Kosten des Netzteils erhöht würden.
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Die eigentliche Lösung für dieses Problem ist eine Kombination von Sicherheit und Zuverlässigkeit. Bei dieser Leistungsoptimierung sind folgende Punkte zu beachten:
- Kupferdicke (Gewicht) auf der Leiterplatte,
- Luftströmung um den Anschlussbereich und durch die Stromversorgung,
- Verpackung des Steckverbinders (höhere Leistung, weniger Platzverbrauch),
- Kontaktausführung und Materialauswahl für den Steckverbinder,
- Kosten.
Leistungsoptimierung umfasst jeden einzelnen der oben genannten Punkte mit dem Ziel, die effektivste Lösung für die gegebenen elektrischen und thermischen Bedingungen zu entwickeln. Zusätzliche Kupferdicke und/oder eine Erhöhung des Luftstroms können die Kapazität des Steckverbinders erhöhen, haben aber Auswirkungen auf die Gesamtkosten. Andererseits kann eine bessere Auslegung des Steckverbinders einen höheren Strom pro 25 mm Leiterplattenkante in kompakterer Form bieten und damit größere Lüfter und mehr Kupfer unnötig machen.
Thermische Modelle illustrieren diesen Aspekt: Die nachfolgenden Modelle zeigen den Einfluss einer Erhöhung der Kupferdicke bei dem gleichen Steckverbinder, wenn dieser die gleichen 50 A pro Messerkontakt durch alle zehn Leistungskontakte leitet. Bild 1 zeigt die Verhältnisse bei 10 Unzen Kupferlage: Es ergibt sich eine absolute Temperatur von 52,8 °C bei 20 °C Umgebungstemperatur, also ein Temperaturanstieg um 32,8 K. Bild 2 indes zeigt, dass der Temperaturanstieg bei Verdoppelung der Kupferdicke auf der Leiterplatte nur noch 22,5 K beträgt. Wenn man in diesen Modellen zusätzlich für eine Luftströmung sorgen würde, könnte man in beiden Fällen eine erhebliche Temperaturreduzierung feststellen. In diesem Falle ließe sich dann auch wieder der Wert für die maximal zulässige Stromgrenze je Messerkontakt nach oben verschieben.
Die Höhe eines Steckverbinders ist bei Leistungsanwendungen ausschlaggebend, weil eine geringere Höhe eine bessere Luftströmung erlaubt. Bei einem höheren Luftstrom wird die Schnittstelle besser gekühlt, und die Strombelastbarkeit kann steigen.
UL definiert die Strombelastung bei einer Temperaturüberhöhung von 30 K im Kontaktbereich. Der Luftstrom wird immer mehr bei der thermischen Auslegung neuer Systeme berücksichtigt. Allgemein wird davon ausgegangen, dass pro 100 W benötigte Leistung zur Versorgung der System-Halbleiter zusätzlich 50 W benötigt werden, um die Verlustwärme wieder abzuführen.
Wenn also Systemarchitekten und Wärmemanagement-Experten dafür sorgen, dass Wärme besser und effektiver abgeführt wird, kann die tatsächlich zur Kühlung des Systems benötigte Leistung reduziert werden – was in der Gesamtheit zu einem geringeren Leistungsverbrauch und zu höherer Effizienz führt.
Die folgenden zwei Produkte aus der EXTreme-Power-Baureihe eignen sich gut für Applikationen, bei denen eine hohe Leistung übertragen werden muss und zugleich strömungsfreundliche flache Steckverbinderbauformen gefordert sind:
- Molex EXTreme LPHPower – ein Hybridsteckverbinder mit niedrigem Profil, ausgelegt für 127 A pro 25 mm bei einer Höhe von nur 7,50 mm über der Leiterplatte. Der EXTreme LPH ist für koplanare und rechtwinklige Einbauvarianten verfügbar.
- Molex EXTreme Ten60Power – ein 10 mm hohes Steckverbindersystem mit 60 A pro Messerkontakt, welches hinsichtlich der Stromdichte neue Standards setzt und ebenfalls in koplanarer und rechtwinkliger Ausführung mit oder ohne Signalkontakte lieferbar ist.
Die in Bild 3 gezeigte Roadmap gibt einen Überblick über die Produkte aus der EXTreme-Power-Reihe und zeigt das breite Spektrum an Verbindungslösungen für Stromversorgungen.
- Steckverbinder für hohe Ströme
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- Auswahlkriterien auf einen Blick
