L. Haachitaba Mweene är chef på National Semiconductors Power Applications Design Center i Richardson, Texas. Han är doktor i elektronik med examen från Massachusetts Institute of Technology år 1992. Han har under 14 år arbetat inom flera olika företag med att konstruera kraftaggregat samt även forska inom området.

I ett typiskt kraftaggregat blandas kraftkomponenter som hanterar höga spänningar och strömmar med komponenter som hanterar låga analoga signaler på en mycket begränsad yta. När man konstruerar ett kraftaggregat måste man därför placera komponenterna och dra ledningar så att högnivåsignalerna inte stör lågnivåsignalerna. En dålig layout skapar oönskade spännings- och strömtransienter vilket leder till brus på likspänningen samtidigt som närliggande utrustningar störs.



När väl principschemat för kraftaggregatet har matats in i CAD-programmet är proceduren att bestämma var och hur de diskreta komponenterna ska placeras ofta förbryllande. De flesta kraftaggregat är byggda på kretskort med fyra eller flera lager. Största delen av den tillgängliga ytan kommer att upptas av kraftkomponenter som ingångskondensatorer, MOSFETar, motstånd samt transformatorer för strömmätning, likriktare, spolar och utgångskondensatorer. Genom dessa komponenter flyter stora strömmar. Det innebär att breda ledningar måste användas för att ansluta dem. Dessa komponenter ska placeras ut först.

Allra först bör återkopplande slingor med höga strömderivator identifieras. De ska göras så snäva och kompakta som möjligt för att reducera ströinduktansen som annars kan orsaka oönskade spänningstransienter.

Figuren visar hur dessa återkopplingar kan se ut. Strömmen följer de små svarta pilarna när MOSFETen är i ledande tillstånd. De stora röda pilarna markera strömkretsen när dioden leder. Alla kretsar som är märkta med svarta eller röda pilar (men inte med båda färgerna) är kretsar med höga strömderivator.

Strömkällans ledning och återledning bör ligga över eller intill varandra för att minska återkopplingens yta samt den elektromagnetiska strålningen. Inspänningen till de switchande komponenterna bör tas direkt över ingångskondensatorn, medan belastningen anslutas direkt över utgångskondensatorn.

Anslutningar och genomföringar ska dimensioneras efter storlek och typ av ström som flyter genom dem. Kontakt-ytor med hög strömderivata och hög impedans - exempelvis övergångar där MOSFETen, likriktaren och spolen möts - ska vara så små som möjligt men ändå stora nog för strömmen som ska igenom. Genom att minimera storleken på dessa anslutningar minskas ytan som strålar. Anslutningar med låg impedans, som jord eller utgångar, ska göras så stora som möjligt.

Det är viktigt att ledningarna mellan olika kraftkomponenter är tillräckligt breda.

Formeln nedan kan användas för att beräkna den smalaste ledningsbredden för strömmar i storleksordningen 1 till 20 A.

där T = ledarens bredd i tusendels tum; I = strömmen i ampere, och CuWt = kopparvikt i ounces per kvadratfot. Formeln förutsätter att strömmen orsakar en temperaturhöjning på 10 grader C i ledarna.

Enligt formeln blir alltså den minsta ledningen som hanterar 1 A och har 1 oz kopparvikt 12 mils bred. Vid 5 A och 1/2 oz kopparvikt blir ledningen 240 mils och vid 20 A och 1/2 oz kopparvikt blir den 1275 mils. Om utrymmet tillåter bör dessa mått ökas, speciellt där switchade strömmar flyter. Man bör sträva efter 30 mils per ampere för 1 oz koppar och 60 mils per ampere för 1/2 oz koppar.

I områden med höga strömmar bör man låta ledarna svälla ut (eng. pours eller floods) och i möjligaste mån använda outnyttjat kretskortsyta .

Komponenterna som styr den analoga funktionen (vanligtvis passiva komponenter) ska placeras ut sist, då de är små och enbart behöver smala ledare. En metod är att organisera dem i undergrupper efter deras funktion och sedan börja med att förbinda respektive undergrupp. Exempelvis kan alla komponenter som ingår i återkopplingen av kraftaggregatet samlas i en grupp, medan avkopplingskondensatorerna, mjukstartkondensatorn och det frekvensbestämmande motståndet i pulsbreddsmodulatorn kan bilda en annan grupp.

De olika undergrupperna ansluts normalt till PWM-kretsen eller andra halvledare. Grupperna ska placeras så nära halvledaren som möjligt, och ledningarna ska dras den kortaste vägen. Detta är speciellt viktigt för avkopplingskondensatorerna, som ju måste placeras direkt intill det ben som ska avkopplas och inte till någon jord- eller signalledning som är elektriskt förbunden med benet.

Stora komponenter, som MOSFETar, likriktare, elektrolytkondensatorer, spolar och kontakter, ska placeras på kretskortets ovansida för att undvika att de faller av under omsmältningslödning. På kortets undersida bör det enbart sitta små komponenter som hålls på plats av flussmedlet under lödningen.

När ledningarna dras runt styrkretsen måste signaljord och strömförsörjningens jord hållas isär. En bra metod är att isolera styrkretsen på en separat ö som sedan enbart ansluts till det övriga systemet vid ingångkondensatorn. Metoden gör att man håller den analoga jorden ren. Om en separat jordad ö av någon orsak inte kan användas kan komponenternas jordben bindas samma till en så kallad daisychain. Den ska i sin tur enbart anslutas till jorden på ett ställe.

Komponenter som är förbundna med både låg- och högimpediva noder ska placeras närmast den högre impedansen. Ett exempel på sådana komponenter är motstånd som reglerar utspänningen. De ser en låg impedans på utgången och jordsidan men en hög impedans på ingången av förstärkaren för felsignalen (error amplifier) och ska således placeras så nära förstärkaren som möjligt. För att få bästa möjliga reglering av utspänningen måste ett motstånd (R6 i figur nedan) anslutas direkt till utgången via en ledare som inte påverkas av lastströmmen, medan jordsidan av det andra motståndet (R7 i figur nedan) ska förbindas direkt till analog jord.

Kraftspolar/transformatorer, MOSFETar och likriktare ska placeras långt ifrån ledare och kretsar med låga analoga signalnivåer så att de analoga kretsarna störs så lite som möjligt. Om de switchade kraftkretsarna inte kan separeras fysiskt från de analoga kretsarna på grund av utrymmesbrist bör kretsarna placeras på olika sidor av kretskortet. Ett internt jordplan i koppar bör användas för att skärma de två komponentvarianterna från varandra. Jordplanet ska anslutas så att ingen eller bara en liten ström flyter till det. Endast då kan det anses utgöra en förbindelse med låg brusnivå. De switchade strömmar ska flyta i breda kopparledningar på kortets översta lager.

På ett kretskort med fyra lager ska komponenterna anslutas enligt nedan.

Översta lagret:
o alla kraftkomponenter
o kopparmönster som hanterar höga switchade strömmar
o småsignalkomponenter (kan anslutas)

Andra lagret:
o ska vara ett jordplan utan höga strömmar

Tredje och fjärde (understa) lagret:
o kan ledarna för kraft- och signalkretsarna förläggas
o på det understa lagret placeras endast små komponenter

Därtill hör att man bör kopparfylla så stora ytor som möjligt i alla fyra lager för att bättre underlätta värmeavledningen.

Det går inte alltid att lägga alla ledare med höga strömmar i det översta lagret på grund av kortets storlek, mönsterdragningen och komponenternas placering. Genomföringar (vior) måste då användas för att förbinda de olika lagren och för att parallellkoppla lagren så att högre ström kan flyta mellan komponenterna.

Vid höga strömmar måste flera genomföringar användas. Mikrovior ska konstrueras så att de klarar 1 A. Genomföringar som har diametern 14 mils eller större ska klar upp till 2 A, medan de som är 40 mils eller större ska klara 5 A. Genomföringarna ska kunna fyllas med lödmedel för att fördela värmen bättre. Ledare kan dras mellan viorna, men då enbart i den riktning som strömmen ska gå.