Förr var det enkelt. Komponenterna matades med 5 V och det enda kortkonstruktören behövde göra var att se till så denna spänning nådde fram överallt utan spänningsfall.

Numera är det annorlunda. Dagens komponenter kan behöva det mesta mellan 0,9 V och 5 V, och större komponenter kräver därtill ofta mer än en matningsspänning. Dessutom vill man ibland kunna stänga av delar av ett kort, för att spara energi. Att ha fyra-fem spänningar på samma kort har därför blivit fullt normalt, och något tiotal spänningar är inte alls ovanligt. Elektroniktidningen har också hört talas om svenska projekt med stora kort som har 40 spänningar, och där nästa generation kan få många fler.

Sådana kort ställer självklart konstruktören inför en rad utmaningar. Hur får man plats med alla spänningsomvandlare? Hur ska de placeras, och hur löser man avkopplingen? Hur löser man värmeproblemet? Hur ser man till att känsliga signaler för exempelvis mätsignaler eller kommunikation inte blir störda? Hur gör man för att dra alla spänningsledare och jordplan bäst? Och hur gör man med sekvenseringen – ofta kan ju inte allt på kortet slås på eller slås av samtidigt.

Svaren beror – som så ofta i konstruktionssammanhang – både på tillämpningen och vem man frågar. Alla är dock överens om att utmaningarna kräver god planering, och att det gäller att tänka på strömförsörjningsarkitekturen redan från början av projektet. Alla Elektroniktidningen talat med konstaterar också att dagens EDA-verktyg ger gott stöd. Men än finns inga verktyg med knappen ”lägg till adekvat strömförsörjning” så en hel del ingenjörskonst krävs.

En distribuerad strömförsörjning där ett huvudkraftaggregat matar ett antal POL-omvandlare (point-of-load) är en tämligen konventionell lösning. POL-omvandlarna bör då sitta så nära som möjligt intill kretsen som ska drivas, för att minimera förlusterna.

– POL-omvandlare gillar oftast att ligga under 40 V. Så oftast blir det 20-30 V i busspänningen. Och eftersom omvandlarna inte har 100-procentig verkningsgrad så finns anledning att hålla ner antalet där det är möjligt, säger Peter Karlsson, strömförsörjningskonsult på Elektronikkonsult AB.

Han understryker också vikten av välplanerade jordplan. Visst kan cad-verktygen lägga in dem där de behövs, men var de läggs och hur stora de ska göras är alltjämt ofta en fråga som konstruktörerna måste svara på.

– Helst vill man ha ett individuellt jordplan för varje POL-omvandlare. Omvandlare som matar analoga kretsar bör också separeras från de som matar digitala kretsar, säger han.

Ett särskilt problem är att många komponenter idag är specificerade för låga spänningar, trots att de inte är särskilt effektsnåla. Det gör att strömmarna blir höga. Mikael Stålberg på Mentor Graphics menar att de låga spänningarna i sig är ett större problem än antalet spänningar på kortet.

– Det blir hög strömtäthet, som skapar ohmska förluster, som kan göra att spänningen hamnar utanför specen. I värsta fall hamnar man för nära avbränning – en ledare kan bli en säkring, och då brinner kortet. Det gäller även då man bara har en enda spänning, säger han.

Just att uppfylla kretsarnas alla specifikationer är en av de vanligaste anledningarna till att antalet spänningar på kortet ökar. Men det behöver faktiskt inte vara rätt väg att gå. Jonas Magnusson och Martin Svensson på Synopsys utvecklingscenter i Lund (före detta Hardi Electronics) menar att man mycket väl kan runda specifikationerna ibland.

– Datablad är notoriskt opålitliga, de brukar bestå av konstruktionsregler samlade sedan 1960-talet utan att någon ifråga­satt dem. Skulle man följa dem till punkt och pricka skulle man ju aldrig få någon konstruktion färdig. Man måste använda sunt förnuft och vara en duktig ingenjör, säger Jonas Magnusson.

Det senaste kortet Jonas och Martin designat för Synopsys – prototypkortet Haps 60 som används för asicutveckling – har 25 spänningar ombord, var och en med individuell DC-DC-omvandlare. Större delen av dem går åt för att Haps-användarna ska kunna koppla valfria spänningar till valfria I/O-regioner på de FPGA:er som sitter på korten. Matningen av FPGA-kretsarna har de löst på ett ganska radikalt vis.

– Vi har en stor 100 A regulator som matar kontinuerligt. Och heltäckande plan för matning och jord. Vi har byggt en tyst matningsspänning, som klarar att mata utan rippel. Med låg impediv väg ut till alla kretsar, berättar Jonas Magnusson.

– Det är en lite dyrare lösning, vi fick gå från åtta till tio lager i mönsterkortet. Men det ger oss frihet att placera kretsar hur som helst, och ger en stabil konstruktion av hög kvalitet, tillägger Martin Svensson.

Värmeproblematiken råder dock den metodiken inte bot på. Haps-korten har samma problem med värme som andra kort med höga effekter, och försöker lösa det likartat sätt, med fläktar och kylflänsar.

Något som dock oftast inte erbjuder något större problem är själva layoutandet av kortet. Dagens layoutverktyg håller hög klass och har inga inbyggda begränsningar för antalet spänningar, antalet jordplan eller liknande. Det som skiljer mellan verktygen är snarare kopplingen till signalintegritet och andra analysprogram.

– Med dagens snabba kretsar ökar signalintegritetsproblematiken. Men analys för sådant kommer även i relativt billiga program, säger Melek Mentes på Gateline som är distributör för Cadence Orcadverktyg.
Mikael Stålberg på Mentor understryker att just integrationen till analysverktyg är det som skiljer mellan layoutverktygen.

– Vår autorouter gör till exempel automatisk kontroll av isolationsavståndet under gång, och vi kan simulera signalintegritet direkt i layoutverktyget, säger han.

Jonas Magnusson på Synopsys passar på att ge en eloge till sina branschkollegor.

– Simuleringsverktygen har blivit oerhört mycket bättre de senaste två åren, säger han.