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Die Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät, nämlich einen Computer oder einen Server, mit einer Stromversorgungseinheit und einem Motherboard, die elektrisch miteinander verbunden sind. Ein Motherboard eines Computers oder Servers (bzw. eines Server-Racks) erzeugt die verschiedenen sekundären Niedervoltspannungen, mit denen seine Bauelemente betrieben werden, aus einer ersten Spannung von beispielsweise 12 V. 1 zeigt ein Beispiel eines elektronischen Geräts 10, nämlich eines Computers oder Servers, dessen Motherboard 4 auf herkömmliche Weise an eine Stromversorgungseinheit 1 angeschlossen ist und über Verbindungskabel 25 die erste Spannung empfängt. Die Stromquelle bzw. Stromversorgungseinheit 1 ist beispielsweise eine ”Power Backplane”, d. h. eine zur Stromversorgung dienende Leiterplatte des Computers oder Servers. Sie umfasst z. B. ein, zwei oder mehr Spannungsquellen 2 und eine Leiterplatine 3. Die Verbindungskabel 25 sind durch genormte Anschlussstecker 7 (”Minifit”) an die Stromversorgungseinheit 1 und an das Motherboard 4 angeschlossen. Die durch die Spannungswandler 16 erzeugten sekundären Niedervoltspannungen (von wenigen Volt) werden dann den Bauelementen 17 und Steckplätzen 8 zugeführt. Die erste Spannung sowie die zweiten Spannungen (ebenfalls Niedervoltspannungen) sind Gleichspannungen und die Spannungswandler 16 sind DC/DC-Gleichspannungswandler. Zu den durch die Spannungswandler 16 mit Sekundärspannungen versorgten Einheiten gehören beispielsweise Mikroprozessoren (CPU), Speicherbausteine („Mem”) oder PCI-Busse („Peripheral Component Interconnect”). Die auf oder in dem Motherboard verlaufenden Leiterbahnen zum Verteilen der Spannung (bzw. des ersten Spannungspotentials) auf die Spannungswandler und zum Weiterleiten der zweiten Spannungen (bzw. des jeweiligen zweiten Spannungspotentials) verlaufen beispielsweise in einer entsprechenden Leiterbahnebene des als Printed Circuit Board (PCB) ausgeführten Motherboard.
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Nachteilig an der herkömmlichen Zuführung des Spannungspotentials sind die hohen elektrischen Widerstände bzw. Leitungsverluste entlang der Leitungsstrecken und Anschlussverbindungen zwischen der Stromversorgungseinheit 1 und den Spannungswandlern 16. Erst recht die auf dem oder innerhalb des Motherboard 4 verlaufenden Leiterbahnen und Kontaktverbindungen sind mit einer Vielzahl elektrischer Leitungs- und Anschlusswiderstände behaftet, die zudem durch alterungsbedingte Effekte (Temperaturschwankungen, Luftfeuchtigkeit oder Erschütterungen jeder Art) noch zunehmen können. Über diese Strukturen des Motherboard 4 wird die erste Spannung herkömmlich über die Hauptfläche des Motherboard 4 bis hin zu den Spannungswandlern 16 verteilt. Motherboards weisen ”Power Planes” auf, d. h. Leiterbahnebenen, die der Versorgung mit den benötigten Spannungen (insbesondere mit deren vom Massepotential verschiedenen Potentialen) dienen. Während die Zuführung des Massepotentials in einer eigenen, separaten Masseanschlussebene („Ground Plane”) erfolgt, werden die von den Spannungswandlern ausgehenden sonstigen Potentiale der zweiten Spannungen in weiteren Leiterbahnebenen des Mainboard der CPU, den Speicherbausteinen, den jeweiligen Steckplätzen (I/O etc.) und sonstigen Einheiten, etwa dem Lüfter zugeführt. Die im Motherboard 4 (bzw. Mainboard oder Hauptplatine) verlaufenden Leiterbahnebenen sind aus Leiterbahnen einer Schichtdicke von lediglich etwa 30 bis 60 μm gebildet, und auch das Potential der ersten Spannung wird bislang im Mainboard, d. h. über solche Leiterbahnen bis zu den Spannungswandlern geleitet. Hierdurch entstehen Leistungsverluste der Kupferleitungen, die zu erheblicher Wärmeentwicklung, erhöhtem Stromverbrauch und (angesichts dadurch erhöhter Rotationsgeschwindigkeit des Lüfters) zu störenderen Betriebsgeräuschen führen.
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US 5,173,838 A zeigt ein elektronisches Gerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Das elektronische Gerät umfasst mehrere Leiterschienen, durch die einer Anordnung drei übereinander gestapelter Leiterplatten verschiedene äußere Spannungen zugeführt werden. Die Leiterplatten sind in einem gemeinsamen Kühlgehäuse untergebracht, das von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird.
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Die Leiterplatten besitzen nach außen führende Randbereiche, an denen die Leiterschienen elektrisch angeschlossen sind. Die Leiterschienen sind somit seitlich außerhalb der Leiterplatten untergebracht, sodass alle lateralen Distanzen zwischen den äußeren Leiterschienen und auf den Leiterplatten angeordneten Stromverbrauchern durch Leiterbahnen auf oder in den Leiterplatten selbst überbrückt werden müssen, was jeweils Leistungsverluste und einen entsprechenden Energiebedarf bzw. Stromverbrauch zur Folge hat.
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Es ist daher wünschenswert, den bisher erforderlichen Energiebedarf bzw. Stromverbrauch eines Computers oder Servers bzw. Server-Racks zu senken.
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Hierzu wird ein elektronisches Gerät gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Das elektronische Gerät gemäß Anspruch 1 sieht vor, die herkömmlichen, mit hohen Leitungswiderständen behafteten Leitungsstrecken in dem Motherboard und ferner zwischen Motherboard und Stromversorgungseinheit durch (mindestens) eine Leiterschiene zu ersetzen, über die die erste Spannung (insbesondere das vom Massepotential verschiedene Potential der ersten Spannung) zugeführt wird. Eine weitere Leiterschiene kann für das Massepotential vorgesehen sein. Weiterhin können auch mehrere Leiterschienen parallel zueinander oder in Serie miteinander verbunden werden und zur Übertragung des höheren Potentials (bzw. des vom Massepotential verschiedenen Potentials) genutzt werden. Weiterhin können mehrere unterschiedliche erste Spannungen (statt lediglich 12 V) über verschiedene Leiterschienen dem Mainboard zugeführt werden. In all diesen Fällen ist jedenfalls vorgesehen, die erste Spannung über starre Stromleiterschienen (etwa in Form metallischer, starrer Formteile) zu übertragen. Im Gegensatz zu den herkömmlichen, etwa 30 bis 60 μm dicken Leiterbahnen der ”Power Planes” eines Motherboard ermöglicht die extern außerhalb des Motherboard frei verlaufende, vorzugsweise aus massivem Metall (Kupfer, einem sonstiges Metall oder einer Legierung) gebildete Leiterschiene ein Heranführen des ersten Potentials (d. h. demjenigen der ersten Spannung) an die auf der Mainboardfläche verteilten Spannungswandler mit erheblich geringerem Leitungswiderstand. Erfindungsgemäß wird dieses Anschließen der Spannungswandler des Motherboard dadurch erreicht, dass die erste Spannung über eine solche Leiterschiene, die in einem Abstand senkrecht zur Hauptfläche des Motherboard über oder unter dem Motherboard verläuft, an die Spannungswandler herangeführt ist. Die mindestens eine Leiterschiene verläuft somit zumindest auch in lateraler Richtung über oder unter der Hauptfläche des Motherboard, d. h. die Leiterschiene überquert einen Teil der Grundfläche des Motherboard.
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Einige Ausführungsformen werden nachstehend mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Computers oder Servers mit einer Stromversorgungseinheit und einem Motherboard,
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2 eine hier vorgeschlagene Ausführungsform eines Computers oder Servers mit einer Leiterschiene, dargestellt in Schnittansicht durch die Stromversorgungseinheit und das Motherboard,
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3 eine alternative Ausführungsform zu 2,
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4 eine schematische Draufsicht auf eine ähnliche Ausführungsform eines Computers oder Servers wie in 3,
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5 eine alternative Ausführungsform hinsichtlich der Verbindung zwischen Leiterschiene und Spannungsversorgungseinheit,
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6 eine weitere Ausführungsform alternativ zu 5 und
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7 einen Computer oder Server gemäß einer weiteren, zu den 2 bis 6 alternativen, aber nicht erfindungsgemäßen Bauweise.
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Im Gegensatz zu 1 zeigt 2 eine hier vorgeschlagene Ausführungsform eines Computers oder Servers, bei der die Zuführung der ersten Spannung (von beispielsweise 12 V) nicht über externe Kabelverbindungen außerhalb des Motherboard sowie über im Motherboard integrierte Leiterbahnstrecken erheblicher Länge (von einem zentralen Steckerbaustein oder Steckplatz ausgehend bis zu den über die Grundfläche des Motherboard verteilten Spannungswandlern) verläuft, sondern stattdessen über eine externe, vorzugsweise massive und starre Leiterschiene 5 bzw. Stromschiene den Spannungswandlern auf dem Motherboard zugeführt wird. In der Schnittansicht der 2 ist daher erkennbar, dass die Leiterschiene 5 in einem Abstand von dem Motherboard 4 (hier senkrecht zur Hauptfläche 14; oder alternativ seitlich außerhalb ihrer Ränder) frei verläuft. Die Leiterschiene 5 ist beispielsweise als Stange, Rohr, Formblech oder sonstiges starres Formteil aus Metall ausgebildet, beispielsweise aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder einem sonstigen metallischen Material. Alternativ zum starren Formteil kann auch ein flexibler Draht oder ein flexibles Kabel vorgesehen sein; in diesem Fall ist die Leiterschiene nicht starr, sondern biegsam bzw. flexibel. Auch in den 3 bis 6 kann anstelle des starren Formteils alternativ ein flexibler Draht oder ein flexibles Kabel vorgesehen als (flexible, biegsame) Leiterschiene vorgesehen sein. Der knapperen Darstellung halber wird darauf jedoch in den nachfolgenden Figurenbeschreibungen zu den 3 bis 6 nicht mehr ausdrücklich hingewiesen. Es ist mindestens ein erstes Verbindungselement 11 zum Herstellen einer elektrischen Verbindung (und mechanischen Befestigung) zwischen Motherboard 4 und Leiterschiene 5 vorgesehen. Ein zweites Verbindungselement 12 ist zum Anschließen und Befestigen der Leiterschiene 5 ab der Stromversorgungseinheit 1 vorgesehen. Das erste und/oder zweite Verbindungselement 11, 12 ist vorzugsweise ein massives, starres Formteil aus Metall, beispielsweise eine Schraub-, Steck-, Rast-, Klemm- oder Bolzenverbindung. Durch das erste Verbindungselement 11 wird somit die Leiterschiene 5, die ohnehin eine sehr niederohmige Leiterstrecke darstellt, niederohmig mit dem Motherboard 4 verbunden und zugleich stabil an diesem befestigt bzw. montiert. Das erste Verbindungselement 11 kann insbesondere eine Schraube oder einen Bolzen aus geeignetem leitfähigem Material wie etwa Kupfer oder einem sonstigen Metall oder einer Metalllegierung umfassen, d. h. ein Schraubverbinder oder Steckverbinder sein. Die hier oben getroffenen Aussagen gelten in gleicher Weise für das zweite Verbindungselement 12.
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3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform, bei der eine Mehrzahl von (hier beispielsweise drei) ersten Verbindungselementen 11 zum mechanischen und elektrischen Verbinden von Motherboard 4 und Leiterschiene 5 miteinander vorgesehen ist. Dadurch kann das erste Potential (d. h. dasjenige der ersten Spannung V1) einer Mehrzahl von Positionen bzw. verteilten Kontaktbereichen auf der Oberfläche des Motherboard 4 unmittelbar zugeführt werden, ohne dass hierzu verschiedene Zuleitungen (etwa in Form dreier separater Leiterschienen) erforderlich wären. Stattdessen erhalten hier alle drei ersten Verbindungselemente 11 das Spannungspotential (von z. B. +12 V) über ein und dieselbe Leiterschiene.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein elektronisches Gerät 10 (Computer oder Server) gemäß 3. Innerhalb des Gehäuses 18 bzw. an seinem Befestigungsrahmen 13 (Chassis) ist das Motherboard 4 sowie die Stromversorgungseinheit 1 angeordnet. An der Leiterplatte 3 der Stromversorgungseinheit 1 (mit beispielsweise nur einer Spannungsquelle 2) sind zwei Leiterschienen 5 angebracht, die bis unter das Motherboard 4 führen und dort mehrere (in 4 beispielsweise drei) Positionen bzw. Kontaktbereiche innerhalb der Fläche des Motherboard 4 elektrisch kontaktieren. Die Anordnungsverhältnisse, Größenverhältnisse und Anzahlen in 4 sind rein schematisch und nicht maßstabsgetreu; sie dienen nur der Veranschaulichung. Die in 4 dargestellte obere Leiterschiene 5 ist über drei erste Verbindungselemente 11, die denen aus 3 entsprechen, an dem Motherboard 4 befestigt und dort niederohmig mit diesem verbunden. Die obere Stromschiene bzw. Leiterschiene 5 versorgt dadurch beispielsweise drei Spannungswandler 16, die aus der ersten Spannung V1 jeweils (untereinander gleich große oder alternativ verschieden große) kleinere zweite Spannungen V2 erzeugen, die für die Bauelemente (CPU, PCIs, Speicherbausteine etc.) auf dem Motherboard 4 benötigt werden. Exemplarisch ist hierzu am mittleren Spannungswandler 16 ein Bauelement 17 (oder alternativ Steckplatz 8) dargestellt. Wie erwähnt sind die erste und die zweite Spannung V1, V2 Gleichspannungen. Durch die obere Leiterschiene 5 wird das Spannungspotential (von z. B. +12 V) von der Stromversorgungseinheit 1 den jeweiligen Spannungswandlern 16 (oder jedenfalls benachbart zu ihnen angeordneten Positionen bzw. Kontaktbereichen innerhalb der Flächenausdehnung des Motherboard 4) zugeführt. An die Stromversorgungseinheit 1 ist die Leiterschiene 5 durch ein zweites Verbindungselement 12 angeschlossen. Die in 4 unten dargestellte weitere Leiterschiene 5 dient zur niederohmigen Verbindung mit dem Masseanschluss. Die zweiten Verbindungselemente 12 können beispielsweise als Bolzen- (oben in 4) oder als Schraubenverbindung (unten in 4) ausgebildet sein oder alternativ Rast-, Steck- oder Klemmverbindungen sein. Durch die beiden Leiterschienen 5 wird die erste Spannung V1 unmittelbar bis zu den Positionen der Spannungswandler 16 auf dem Motherboard 4 transportiert; es fallen kaum elektrische Widerstandsverluste in vergleichbarer Höhe wie in 1 an. Ein gemäß den 2 bis 4 ausgebildeter Computer oder Server erzeugt daher weniger Wärmeverluste, beansprucht weniger Strom und Kühlungsleistung; durch die extern außerhalb des Motherboard 4 verlaufenden niederohmigen, vorzugsweise starren und/oder massiven metallischen Formteile (nämlich die Leiterschiene 5 und die ersten und zweiten Verbindungselemente 11, 12) wird eine weitaus zuverlässigere und energieärmere Stromzufuhr zwischen Stromversorgungseinheit und Motherboard erreicht als bei der herkömmlichen Bauweise gemäß 1, wo etliche Übergangs- und Leitungswiderstände auftreten und sich summieren.
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Die 5 und 6 zeigen zwei alternative Ausführungsformen hinsichtlich der elektrischen und mechanischen Verbindung zwischen der Leiterschiene 5 und der Stromversorgungseinheit 1. In den 5 und 6 sind das Motherboard und die zu dessen Anschluss an der Leiterschiene 5 vorgesehenen ersten Verbindungselemente der Übersichtlichkeit halber nicht mehr dargestellt; sie sind jedoch gleichwohl weiterhin vorhanden (wie in den 2 bis 4). Die Ausführungsform gemäß 5 sieht vor, dass die Leiterschiene 5 mit ihrem geraden Ende unmittelbar in die Leiterplatine 3 der Stromversorgungseinheit 1 eingesteckt, eingeschraubt und auf sonstige Weise mechanisch befestigt und zugleich niederohmig verbunden ist. Dadurch entfallen die in den 2 bis 4 dargestellten abgewinkelten Enden der Leiterschiene 5. Ebenso wie in den 2 bis 4 ist hier jede Spannungsquelle 2 der Stromversorgungseinheit 1 über einen eigenen Spannungsanschluss 6 (bzw. ein jeweiliges Paar von Spannungsanschlussleitungen) mit der Leiterplatine 3 (einem PCB) verbunden.
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Bei der alternativen Ausführungsform gemäß 6 ist die Leiterschiene 5 an jede der mehreren Spannungsquellen 2 über jeweils ein eigenes, separates Verbindungselement 12 angeschlossen; eine zwischengeschaltete Leiterplatine 3 (wie in 5) ist hier nicht vorgesehen. Stattdessen sind die Leiterschiene 5 und/oder die zweiten Verbindungselemente 12 so ausgebildet, dass die Leiterschiene 5 unmittelbar und somit besonders niederohmig an der jeweiligen Spannungsquelle 2 montiert wird. Die Verbindungselemente 12 können dabei unterschiedlich große Abstände oder Höhendifferenzen überbrücken. In 6 sind ferner der Befestigungsrahmen 13 (bzw. ein Gehäuse-Chassis des Gehäuses 18) sowie eine Isolationsschicht 15 (beispielsweise eine Isolationsfolie 15) dargestellt. Die Leiterschiene 5 ist in Richtung der Innenseite des Computers oder Servers 10 frei geführt, d. h. sie ist nicht durch eine umlaufende Schutzisolierung (etwa wie bei einer Drahtummantelung) umgeben, sondern verläuft beabstandet zu sonstigen Teilen, insbesondere zum Motherboard 4 und/oder zum Befestigungsrahmen 13 frei innerhalb des Gehäuses. Allerdings kann wie in 6 eine Isolationsfolie vorgesehen sein, um zumindest gegenüber einer Gehäusewand eine ausreichende elektrische Isolation und eine platzsparendere Anordnung zu ermöglichen. Solch eine Folie kann alternativ oder zusätzlich ebenso zwischen der Leiterschiene 5 und dem Motherboard vorgesehen sein. Die anhand der 2 bis 6 erläuterte Leiterschiene 5 bildet eine extrem niederohmige Stromschiene (Power Bar) aus vorzugsweise Kupfer; die herkömmlich erheblichen Zuleitungswiderstände treten nicht mehr auf. Dank der vereinfachten Bauweise wird eine viel direktere Hinführung der ersten Spannung bis unmittelbar zu den Gleichspannungswandlern 16 erreicht. Die mechanische Befestigung der Leiterschiene 5 über die Verbindungselemente kann mit Hilfe normaler Schrauben (etwa solchen zum Montieren des Motherboard 4 oder sonstiger Teile des Computers oder Servers) geschehen. Insbesondere lässt sich die Leiterschiene 5 an einer zur Stromversorgung dienenden Leiterplatte („Power Backplane”) montieren. Die Spannungswandler 16 können über entsprechende Stückzahlen von Leiterschienen 5 auch mit mehreren (identischen oder unterschiedlich großen) ersten Spannungen versorgt werden. Das Motherboard 4 selbst kann weiterhin unterschiedliche Leiterbahnebenen für das Massepotential und für die sekundären Niedervoltspannungen (bzw. deren vom Massepotential abweichendes Potential) aufweisen. Ausgedehnte laterale Leiterbahnen innerhalb des Motherboard zum Heranführen der ersten Spannung entfallen nunmehr vollständig oder weitestgehend. Jede Leiterschiene 5 kann beabstandet vom Motherboard, beispielsweise neben, über oder unter ihr verlaufen und von dort aus einer Vielzahl von Positionen bzw. Kontaktstellen auf dem Motherboard 4 kontaktieren. Die Leiterschiene 5 gemäß den Ausführungsformen dieser Anmeldung kann insbesondere Bestandteil des Gehäuses, etwa an der Gehäuseinnenwandung (d. h. an einer oder mehreren Gehäuseinnenwänden) montiert sein. Es erübrigen sich somit flexible Drähte, Drahtbündel oder Kabel; stattdessen bewirkt das Gehäuse die Zuführung der ersten Spannung hin zu den jeweiligen Spannungswandlern auf dem Motherboard.
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7 zeigt eine zu den 2 bis 6 alternative, nicht erfindungsgemäße Bauweise eines elektronischen Geräts (Computer oder Server), bei dem anstelle der Leiterschiene eine Mehrzahl von Verbindungskabeln 25 vorgesehen ist. Anders als in 1 jedoch sind die Verbindungskabel 25 nicht an einen zentralen Steckerbaustein des Motherboard 4 angeschlossen, von dem aus die erste Spannung über weitere Leiterbahnstrecken des Motherboard erst innerhalb der Grundfläche des Motherboard 4 an die Spannungswandler 16 herangeführt werden müsste. Stattdessen ist eine Mehrzahl von sich dezentral verteilenden (und sich so über die Grundfläche der Motherboard 4 verzweigenden) externen Verbindungskabeln 25 in außerhalb des Motherboard 4 vorgesehen; jedes dieser Verbindungskabel 25 kontaktiert auf dem Motherboard einen eigenen, separaten Steckerplatz oder Steckerbaustein in unmittelbarer Nähe zu einem jeweils mit der ersten Spannung V1 zu versorgenden Spannungswandler 16. Dies gilt zumindest für diejenigen Verbindungskabel 25b, die das von dem Massepotential verschiedene erste Potential (von z. B. +12 V) übertragen. Das Massepotential hingegen wird über nur ein einziges Massekabel 25a zu einem einzigen, zentralen Steckerplatz bzw. Steckerbaustein des Motherboard 4 geführt. Somit wird nur das erste Potential durch eine Vielzahl weiterer Verbindungskabel 25b dezentral auf die Spannungswandler 16 verteilt, d. h. ihnen jeweils einzeln zugeführt. Zum Montieren und niederohmigen Anschließen der Verbindungskabel 25 an dem Motherboard 4 und der Stromversorgungseinheit 1 können grundsätzlich die gleichen Verbindungselemente 11, 12 wie in den 2 bis 6 eingesetzt werden, allerdings zeigt 7 keine erfindungsgemäße Bauweise des elektronischen Geräts. Zum Verteilen des Massepotentials innerhalb des Motherboard 4 hingegen kann eine Masseanschlussebene 21 wie in 1 genutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stromversorgungseinheit
- 2
- Spannungsquelle
- 3
- Leiterplatine
- 4
- Motherboard
- 5
- Leiterschiene
- 6
- Spannungsanschluss
- 7
- Anschlussstecker
- 8
- Steckplatz
- 9
- Shunt
- 10
- elektronisches Gerät
- 11
- erstes Verbindungselement
- 12
- zweites Verbindungselement
- 13
- Befestigungsrahmen
- 14
- Hauptfläche
- 15
- Isolationsschicht
- 16
- Spannungswandler
- 17
- Bauelement
- 18
- Gehäuse
- 19
- Kontaktbereich
- 20
- Leiterbahnebene
- 21
- Masseanschlussebene
- 25
- Verbindungskabel
- 25a
- Massekabel
- 25b
- weiteres Verbindungskabel
- V1
- erste Spannung
- V2
- zweite Spannung