Einfach sind sie nicht: Netzteile für Rechenzentren setzen auf moderne Hochstrominduktivitäten

Induktivitäten haben ebenso wie ihre passiven Geschwister, die Widerstände und Kondensatoren, ein Problem mit der Öffentlichkeitsarbeit. Im Gegensatz zu Halbleiterbauelementen mit ihren tiefgreifenden physikalischen Grundlagen und milliardenschweren Produktionsstätten erhalten Induktivitäten einfach nicht die Aufmerksamkeit und den Respekt, den sie verdienen.

Unter Ingenieuren und anderen Technologen herrscht die Meinung vor, dass sie aufgrund ihrer Einfachheit keine Bewunderung verdienen. In Wirklichkeit verfügen sie jedoch über eine ganz eigene Raffinesse, selbst im Vergleich zu aktiven Komponenten.

Nach den 1830er Jahren, in denen Michael Faraday entdeckte, dass ein wechselndes Magnetfeld Strom induzieren kann, und Joseph Henry unabhängig davon die „Selbstinduktion“ (ein Leiter, der selbst Strom induziert) untersuchte, blieb die Induktivität lange Zeit ein Rätsel. Erst als man die Elektromagnetik besser verstand und sowohl die grundlegenden elektrischen Gesetze als auch die Maxwell-Gleichungen anwandte, konnte das Rätsel gelöst werden, wie die bloße Formung eines Drahtes zu einer Schleife seine elektrischen Eigenschaften verändern konnte.

Ein Teil des Dilemmas bei der Öffentlichkeitsarbeit besteht darin, dass die Induktivität (Abbildung 1, oben, links) durch ein sehr gewöhnliches schematisches Symbol dargestellt wird (Abbildung 1, oben, rechts). Darüber hinaus wird in den grundlegenden Konzepten, die in der Ingenieurschule gelehrt werden, die Induktivität in der Regel nur als ein Stück Draht dargestellt, das gebogen oder gewickelt wurde; daher auch der Begriff „Spule“, eine informelle Bezeichnung für die Induktivität in vielen Anwendungen. Tatsächlich wird sie in einer Reihe von Designs erfolgreich zur Energiespeicherung eingesetzt, um die Restwelligkeit am Ausgang eines Schaltnetzteils zu filtern (Abbildung 1, unten) und um einen HF-Resonanzkreis zu schaffen.

Abbildung 1: Frühe Luftspulen für Quarzradios bestanden aus Draht, der um einen Hohlzylinder gewickelt war (oben, links), und das entsprechende schematische Symbol ist eine einfache Spule (oben, rechts); das Blockdiagramm eines typischen Schaltnetzteils zeigt die Position der Ausgangsfilterinduktivität (unten). (Bildquellen: United Nuclear, Bourns, und Circuit Basics LLC)

Die Physik der Induktivität wird durch eine kurze Gleichung definiert, die die Induktivität (L), die Spannung (V) und die Änderungsrate des Stroms (I) miteinander verbindet: V = L × (dI/dt).

Die Gleichung besagt, dass die Induktivität Gleichströme nicht behindert (abgesehen von ihrem ohmschen Widerstand), sondern sich ändernden Strömen widersteht („drosselt“). Für jeden Induktivitätswert nimmt dieser Widerstand mit der Änderungsrate (Frequenz) zu. Der „Qualitätsfaktor“ (Q) ist ein dimensionsloses Maß für die Verluste der Drosselspule, definiert als das Verhältnis ihrer induktiven Reaktanz zu ihrem effektiven Serienwiderstand, der sowohl den Gleichstromwiderstand (DCR), der idealerweise nahe 0 Ohm (Ω) liegt, als auch frequenzabhängige Verluste umfasst.

In den Anfängen des Radios bauten Heimwerker Kristallradios mit einer Abstimmspule, die aus vielen Drahtwindungen bestand, die um einen nur wenige Zentimeter langen Stab oder ein Papprohr gewickelt waren. So werden die meisten von ihnen in der grundlegenden Elektronikliteratur dargestellt, und die drahtgewickelte Spule wird in speziellen Fällen immer noch verwendet. Die heutigen Hochstromnetzteile benötigen jedoch eine andere Art dieses Bauteils mit niedriger Induktivität, sehr niedrigem DCR und hoher Strombelastbarkeit.

Spulen reichen nicht mehr aus

Induktivitäten sind wesentliche Komponenten in Hochstrom-Schaltnetzteilen mit hohem Wirkungsgrad, die in Rechenzentren eingesetzt werden. Fast jedes Design enthält eine kleine Induktivität (zusammen mit einem Ausgangskondensator) zur Energiespeicherung und zur Glättung der Ausgangswelligkeit.

Bei den erforderlichen Stromstärken in Rechenzentren bedeutet selbst ein winziger DCR-Wert eine erhebliche Ineffizienz und Abwärme. Die Zahlen zeigen, warum: Ein Widerstand von nur 10 Milliohm (mΩ), der 100 Ampere (A) überträgt, führt zu 100 Watt Verlust (P = I²R). Aus diesem Grund ist ein DCR-Wert von unter 1 mΩ in Hochstromsituationen unerlässlich.

Um die Verluste zu verringern und die Abwärme abzuführen und gleichzeitig immer kleinere Formfaktoren und oberflächenmontierte Prozesse zu unterstützen, verwenden Hersteller moderne Materialien, innovative physikalische Designs und verbesserte Fertigungstechniken.

Ein gutes Beispiel ist die SRP1024HMCT-75NM (Abbildung 2) von Bourns aus der Serie SRP1024HMCT geschirmter Leistungsdrosseln. Mit einer Grundfläche von 0,157 × 0,417 Zoll (4 × 10,60 Millimeter (mm)) und einem sehr niedrigen Profil von 0,087 Zoll (2,2 mm) bietet diese Hochstromspule eine Induktivität von 0,075 Mikrohenry (µH) (±20%) mit einem DCR von nur 0,4 mΩ.

Abbildung 2: Die SRP1024HMCT-75NM ist eine Induktivität mit 0,075 µH und winziger Grundfläche, niedrigem Profil sowie einem DCR von nur 0,4 mΩ. (Bildquelle: Bourns)

Diese Angaben sind nur ein Teil der Geschichte. Die Induktivität ist für einen Effektivstrom von 50 A und einen Sättigungsstrom von 65 A ausgelegt. Die abgeschirmte Konstruktion verwendet ein Heißpressverfahren für einen um einen Kupferlackdraht gepressten Kern aus Karbonylpulver, um zwei Problemen entgegenzuwirken, die durch die schnelle Anstiegs-/Abfallzeit eines Netzteils verursacht werden: ein hörbares Summen aufgrund elektroakustischer Resonanzen und elektromagnetische Störungen (EMI). Letzteres kann dazu führen, dass das Gesamtdesign die strengen EMI-Grenzwerte für abgestrahltes elektrisches Rauschen nicht einhält.

Alle Induktivitäten, die mehr als eine vernachlässigbare Menge Strom führen, sind von Selbsterwärmung betroffen. Die SRP1024HMCT-75NM unterstützt einen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis 125°C. Innerhalb dieses Bereichs müssen Entwickler die Auswirkungen der Temperatur auf die Induktionsparameter und die Leistung kennen und modellieren und diese Informationen in ihre Leistungsschaltungsmodelle und anschließenden Simulationen einbeziehen.

Aus diesen Gründen stellt Bourns ein Diagramm (Abbildung 3) zur Verfügung, das die Beziehung zwischen Gleichstrom, dem damit verbundenen Temperaturanstieg und der daraus resultierenden Abnahme der Induktivität zeigt.

Abbildung 3: Ein Diagramm aus dem Datenblatt der Induktivität SRP1024HMCT-75NM zeigt die Beziehung zwischen Gleichstrom, Temperaturanstieg und effektiver Induktivität. (Bildquelle: Bourns)

Das Datenblatt enthält auch das spezifische Löttemperaturprofil für dieses Bauteil. Während diese Informationen vor allem für das Fertigungs- und Produktionsteam von Interesse sind, können andere Komponenten in der Stückliste andere Anforderungen haben, was zu Änderungen im Produktionsprozess oder in der Auswahl der Stücklistenkomponenten führen kann.

Fazit

Bei Rechenzentren ist es einfach, sich auf die Topologie der Stromversorgung und die Gesamtleistung, insbesondere die Effizienz, zu konzentrieren und die Feinheiten der grundlegenden passiven Komponenten mit zwei Anschlüssen, wie z. B. den Induktivitäten, zu vernachlässigen. Wie gezeigt, ermöglichen die geschirmten Induktivitäten von Bourns, dass Schaltnetzteile die hohen Ströme von Rechenzentren trotz des damit verbundenen Temperaturanstiegs, der EMI-Überlegungen und sogar der Größenbeschränkungen unterstützen können.