Stromversorgung und Hitze bei MacBook Pro 17 2.2 i7

[Madcat]

Das verstehe ich so, dass eine CPU in der Praxis mehr Leistung aufnehmen kann als der TDP angibt.
Auch wenn das eher selten auftritt...

Leider ein Irrglaube, auch vom Elektronikkompedium. Nehmen wir die Desktop-CPU i7, die hat ne TDP von 130 W. Ihre Kernspannung darf maximal 1,35 V betragen und der maximale Strom liegt bei 165 A. Jetzt könnte man, wie im Kompendium geschehen, maximale Strom mal maximaler Spannung nehmen und siehe da, es sind mehr als 130 W, richtig. Nicht berücksichtig wurden hier aber nun Leiterbahnwiderstände. Denn auch wenn die CPU nichts tut darf die Kernspannung nicht über 1.35 V liegen. 10 mOhm würden bei 160 A schon 1.6 V Spannungsfall bewirken. Als Minimum ist 0.6 V angegeben .
Ein weitere "Fehlangabe" im Kompendium steht direkt im ersten Absatz (insbesondere auf i7 CPUs bezogen):

...Die TDP-Angabe bezieht sich auf die maximal zulässige Kernspannung und Temperatur eines Prozessors...

Im Datenblatt des i7 steht ausdrücklich, dass die Werte bzgl. TDP/Spannung/Strom für eine CPU gelten, die auf 50°C liegt, die CPU darf aber bis zu 100°C warm werden.

 

[manue]

Leider ein Irrglaube, auch vom Elektronikkompedium. Nehmen wir die Desktop-CPU i7, die hat ne TDP von 130 W. Ihre Kernspannung darf maximal 1,35 V betragen und der maximale Strom liegt bei 165 A. Jetzt könnte man, wie im Kompendium geschehen, maximale Strom mal maximaler Spannung nehmen und siehe da, es sind mehr als 130 W, richtig. Nicht berücksichtig wurden hier aber nun Leiterbahnwiderstände. Denn auch wenn die CPU nichts tut darf die Kernspannung nicht über 1.35 V liegen. 10 mOhm würden bei 160 A schon 1.6 V Spannungsfall bewirken. Als Minimum ist 0.6 V angegeben

Irgendwie steh ich da auf dem Schlauch:
Wenn ich in ein elektr(on)isches Bauteil 1,35V * 165A pumpe, dann wird eine elektrische Leistung von 223W reingesteckt.

Ob nun ein Teil dieser Leistung durch den Leiterbahnwiderstand direkt in Wärme gewandelt wird, ohne genutzt werden zu können, ändert doch nix daran, dass 223W reingesteckt werden...

Wo ist der Denkfehler?

 

[Madcat]

Wo ist der Denkfehler?

Also, die CPU darf maximal 1,35 V bekommen.

Leerlauf, die Quelle legt 1,35 V an, wir sind mal ideal, es fließt kein Strom.
Jetzt darf unsere CPU mal was rechnen und soll im Gedankenexperiment auf maximale Leistung gehen, genauer: sie zieht maximalen Strom, also 165 A.
Unsere Spannungsquelle liefert nun immer noch 1,35 V und diesmal 165 A.
Diese 165 A jedoch müssen auch erstmal zur CPU kommen und das geht durch die Leiterbahn. Diese Leiterbahn hat einen Widerstand, der ist zwar endlich und klein aber der Widerstand ist da. Damit es rechentechnisch einfach bleibt will ich ihn mal zu 1 mΩ festlegen.
1 mΩ erzeugt bei 165 A Stromdurchfluss 0,16 V Spannungsfall. Und der Strom muss ja auch wieder zurück, ums noch simple zu halten nehmen wir hier den gleichen Spannungsfall an, also auch 0.16 V.
Bei 165 A haben wir also schon einen gesamten Spannungsfall in unserem Gedankenexperiment von 0.32 V, unsere Spannung also sinkt von 1.35 V auf 1.03 V.
Wie realistisch ist nun also der 1 mΩ angenommene Leiterbahnwiderstand? Hier betrachten wir uns nun mal wie groß der Widerstand einer sagen wir mal 5 cm langen und 100 mil (das ist schon verdammt breit für eine Leiterbahn, 1 mil entspricht 1/1000 inch, also 0.0254 mm) breiten Leiterbahn ist.
Da ich das nun nicht in aller Form ausfüllen möchte, würde schon etwas lang werden, komme ich gleich zum Ergebnis:
Bei einer typischen Kupferdicke auf Platinen von 35µm kommt hier ein Widerstand von ca. 10 mΩ raus. Ebenfalls nicht selten sind 70 µm Kupferdicke, da wärens dann 5 mΩ Widerstand.
Sind 5 cm realistisch als Leitungslänge? Schau einfach eine i7-CPU mal an:
Wiki-Bild: i7 Bloomfield Bottom
Der Die befindet sich in der Mitte wo die ganzen Filterkondensatoren sitzen (die kleinen braunen Bauteile). Das goldene sind die Anschlusspins, welche nur das Raster der CPU-Anschlüsse aufweiten. Frühestens neben der CPU-Platine kann die Versorgungsspannung sitzen, die Platine selbst ist etwa 5 * 5 cm.
Ebenfalls noch nicht berücksichtigt wurden die Lötstellen, welche auch einen Übergangswiderstand haben den man bei 165 A sicher merkt.
Fazit: Bei 165 A wird sicher keine 1.35 V mehr an der CPU anliegen, es wird deutlich weniger sein als 1 V, die Leistungsaufnahme wird deutlich unter 200 W sein. Und den Temperatureffekt haben wir auch noch nicht betrachtet (idR höhere Temperatur -> höherer Widerstand)

 

[manue]

Okay, herzlichen Dank für die lange und explizite Erklärung; ich verstehe was du mir sagen willst:
Die elektrische Arbeit wird nicht vollständig vom "Bauteil" CPU geschluckt, sondern geht teilweise schon auf dem Weg dahin (bzw. davon weg) verloren.

Aber es ist doch trotzdem richtig, dass (wenn sagen wir 0,7V bei der CPU ankommt) die CPU 116W schluckt und der Rest (also bei einem Spannungsabfall von 0,65V) von 107W durch den ohmschen Widerstand der Leiterbahnen auf Hin- und Rückweg "vernichtet" wird.
Demnach muss das Netzteil für besagte CPU trotzdem 223W liefern; richtig?

 

[Madcat]

Aber es ist doch trotzdem richtig, dass (wenn sagen wir 0,7V bei der CPU ankommt) die CPU 116W schluckt und der Rest (also bei einem Spannungsabfall von 0,65V) von 107W durch den ohmschen Widerstand der Leiterbahnen auf Hin- und Rückweg "vernichtet" wird.
Demnach muss das Netzteil für besagte CPU trotzdem 223W liefern; richtig?

Ganz so einfach ist es leider nicht. Ich bin oben der Einfachheit halber, beim gleichen Strom geblieben. Wenn aber die Spannung weg bricht (wegen der Leiterbahn z.B.) bricht auch der Strom ein. Die 165 A sind quasi ein Laborwert. Kommt vielleicht beim Umschalten vom Idlemode auf Max-Leistung auf für den Bruchteil einer Sekunde. Vergleiche auch heutige Netzteile, z.B. ein Chieftech CTG 500 mit 500W. Das bietet auf der 5 V Schiene 24 A und auf zwei 12 V Schienen 2*20 A, 33 A zusammen auf beiden 12 V Schienen, also weit weg von 100 A (und das ist das Maximum, dass das PS kann auf den einzelnen Schienen). Und die 5 V wie auch die 12 V Schiene versorgen nicht nur CPU sondern auch GPU, Festplatten, DVD-Laufwerke und Co, Lüfter etc.pp.
Für das Auffangen der Stromspitze beim Umschalten der CPU sind da dann Pufferkondensatoren da oder aber, wie in den MBPs, der Akku.

 

[pruegg]

Also ganz ehrlich: Ich verstehe da nur Bahnhof, was die ganzen Berechnungen anbelangt. Wenn ich aber den richtigen Zug erwischt habe, heisst dies nichts anderes, als dass das MBP den Akku benötigt, um fehlenden Strom auszugleichen, wenn das Netzteil mit der Produktion in Verzug kommt. Das heisst, wenn das Ding unter Vollast (z.B. 3D oder Rendering) läuft, so leert sich mit der Zeit der Akku, da das Netzteil dann nämlich dauernd zuwenig Strom abliefert.
Oder in Ökodeutsch: Wenn dann mal der Wind nicht bläst und die Windkraftwerke keinen Strom liefern, so lasst und etwas Kohle anzüngen ;-))

Also bitte, liebe Apfelbeisser: Weshalb dann nicht einfach ein Netzteil mitliefern, welches auch die Belastungsspitzen aushält?

 

[Anotherone]

Weil 99,999% der Nutzer über die Zeit gerechnet es nicht brauchen. Der Mehrverbrauch oberhalb der Leistung ist relativ gering, sodaß man das MBP mit vollem Akku eben ein paar Stunden quälen kann, bevor es knapp wird. Da das in der Praxis so kaum vorkommen wird, passt es doch.

 

[Madcat]

Wenn ich aber den richtigen Zug erwischt habe, heisst dies nichts anderes, als dass das MBP den Akku benötigt, um fehlenden Strom auszugleichen, wenn das Netzteil mit der Produktion in Verzug kommt.

Was aber nur passiert wenn die Eingangsnenndaten des Netzteils nicht gehalten werden, sonst kommt das Netzteil ja nicht in Verzug.

Das heisst, wenn das Ding unter Vollast (z.B. 3D oder Rendering) läuft, so leert sich mit der Zeit der Akku, da das Netzteil dann nämlich dauernd zuwenig Strom abliefert.

Werden die Eingangsnenndaten gehalten liefert das Netzteil immer genügend Power. Problem hierbei, sofern man denn von einem Problem sprechen will: Das Netz darf auch mal schwanken/Einbrüche haben.

Also bitte, liebe Apfelbeisser: Weshalb dann nicht einfach ein Netzteil mitliefern, welches auch die Belastungsspitzen aushält?

Weil die Belastungsspitzen mit Akku aufgefangen werden und das für jeden erdenklichen Belastungsfall, der keine Ausnahme darstellt, mehr als ausreichend ist.

Gibt das jetzt eigentlich ein Bashing-Thread oder möchtest du noch ein sinnvolle Frage stellen?

 

[Terrorkeks]

Also bitte, liebe Apfelbeisser: Weshalb dann nicht einfach ein Netzteil mitliefern, welches auch die Belastungsspitzen aushält?

Andere Hersteller nutzen den Akku übrigens auch zur Kompensation. Weiter würden stärkere Netzteile auch grössere Netzteile bedeuten. Und da es sich immer noch um einend Laptop handelt, ist dies der Kompromiss der eingegangen wird, da die Portabilität nicht allzusehr durch ein zu grosses Netzteil leiden sollte.