Jenseits der Taktfrequenz: Spannungsversorgung bei modernen CPUs

2.1.1 Lebensdaueraspekte des Eingangskondensators C1
Die Lebensdauer eines Elektrolytkondensators ist eine komplexe Funktion von verschiedenen Parametern, wobei die Brauchbarkeitsdauer hauptsächlich durch seine Arbeitstemperatur bestimmt wird, die sich aus der Summe der Umgebungstemperatur und der Eigenerwärmung ergibt.

Die Eigenerwärmung wiederum entsteht aufgrund des Rippelstroms (Lade- und Entladestrom), der am Reihenersatzwiderstand beziehungsweise am äquivalenten Serienwiderstand (ESR) ohmsche Verluste erzeugt und so das Kondensatorgehäuse über die Umgebungstemperatur erwärmt. Mit Hilfe des Nomograms in Abbildung 3 kann die typische Brauchbarkeitsdauer eines 105°C Elkos in Abhängigkeit des Rippelstroms und der Bechertemperatur ermittelt werden. Auf der Y-Achse des Nomograms ist das Verhältnis tatsächlicher Rippelstrom zu maximal zulässigem Rippelstrom bei 105°C (korrigiert mit dem Frequenzkorrekturfaktor) aufgetragen.

Abbildung 3: Typisches Lebensdauer-Nomogram eines 105OC Aluminium Elkos (Grafik: Fujitsu-Siemens)

Beispiel
Ein Elko ist mit 3000 Stunden bei 105° C und 1,5 Ampere überlagertem Rippelstrom in seinem Datenblatt spezifiziert. Wird derselbe Elko bei 60° C mit 1,5 Ampere Rippelstrom betrieben, so kann aus dem Nomogram eine um 20-fach erhöhte Lebensdauer abgelesen werden, was wiederum etwa 60 000 Stunden entspricht. Eine Verdoppelung des Rippelstroms (IA/IR=2) auf 3 Ampere bei 60° C lässt den Lebensdauermultiplikator allerdings schon auf 6 schrumpfen. Somit beträgt die Lebensdauer nur noch circa 18 000 Stunden. Aus diesem Beispiel erkennt man schnell, dass die Eingangskondensatorbank sehr sorgfältig dimensioniert werden muss.

2.1.2 Konsequenzen nach Ablauf der Lebensdauer eines Elkos
Die Folgen nach Ablauf der Lebensdauer (Brauchbarkeitsdauer) eines Elkos können vielfältig sein. Ein vollständiger Defekt ist eher selten. Weit häufiger kommt es zur Nichteinhaltung der Herstellerangaben im Datenbuch. Dies kann wiederum vielfältige Konsequenzen haben. Zunächst ist immer mit einem Kapazitätsverlust und mit einem Anstieg des ESR zu rechnen. Verminderte Kapazität und angestiegener ESR haben zur Folge, dass die Rückwirkungen des DC/DC-Wandlers auf die Spannung aus der die CPU-Spannung generiert wird, ansteigt. Der „Störnebel“ verringert den Störabstand für alle auf dem Motherboard befindlichen Signale. Die Stabilität des Systems wird geringer.