Cálculos de projeto para o EE temperado

Os designers experientes tendem a fazer uma quantidade razoável de cálculos ou grandes partes dos circuitos são projetadas intuitivamente? Estou perguntando, porque parece que os engenheiros de design tendem a ter uma noção do valor que você deseja ter aqui, resistor ali, para partes comuns de circuitos. Se for esse o caso, é porque eles estão apenas reciclando designs? Para o novato, isso é alucinante. No entanto, livros como a Art of Electronics parecem incentivar a abordagem de fazer cálculos aproximados em tempo real.

Sou um engenheiro eletricista profissional que rotineiramente projeta novos circuitos para produção em volume e tem mais de 35 anos.

Sim, frequentemente faço cálculos para determinar as especificações exatas das peças. Também existem muitos casos em que a experiência e a intuição são boas o suficiente e os requisitos são fracos o suficiente para que eu apenas escolha um valor. Não confunda isso com um valor aleatório, no entanto.

Por exemplo, para um resistor de pulldown na linha MISO de um barramento SPI, especificarei apenas 100 kΩ e pronto. 10 kΩ também funcionariam bem, e alguém escolhendo isso também não seria errado. Se eu estiver usando um resistor de 20 kΩ em outro lugar, talvez eu especifique outro na linha MISO para evitar adicionar outra parte à BOM. O ponto é que às vezes você tem muita margem de manobra, e a intuição e a experiência são boas o suficiente.

Por outro lado, olhando para o esquema do meu projeto mais recente, no qual estou iniciando as primeiras pranchas agora, vejo um caso em que passei algum tempo não apenas especificando o valor da peça, mas calculando o resultado da variação no resto do sistema. Houve três casos de dois resistores usados ​​no feedback para uma fonte de alimentação comutada. Aqui está o problema formulado como lição de casa:

Um limiar de entrada de realimentação do chip de potência é 800 mV ± 2%. Você está usando três instâncias desse chip, para produzir as fontes de alimentação de 12 V, 5 V e 3,3 V. Você já decidiu usar cerca de 10 kΩ para o resistor inferior de cada divisor de tensão. Determine as especificações completas do resistor em cada caso e determine a tensão de alimentação nominal mínima / máxima resultante. Atenha-se aos valores do resistor prontamente disponíveis. Use 1%, se adequado, e especifique adequadamente.

Esse é um problema genuíno do mundo real que levou alguns minutos com uma calculadora. A propósito, eu determinei que 1% dos resistores eram bons o suficiente. Na verdade, era o que eu esperava, mas fiz os cálculos para garantir. Também observei a faixa nominal completa para cada suprimento diretamente no esquema. Isso pode ser útil não apenas para referência posterior, mas também mostra que esse problema foi considerado e os cálculos foram feitos. Eu ou outra pessoa não terá que se perguntar, um ano depois, qual é a tolerância da fonte de 3,3 V, por exemplo, e refazer os cálculos.

Aqui está um trecho do esquema que mostra o caso descrito acima:

Acabei de escolher R2, R4 e R6, mas fiz os cálculos para determinar R1, R3 e R5 e as faixas nominais resultantes da fonte de alimentação.

Adicionado sobre as partes SHx (resposta ao comentário)

As partes SH são o que eu chamo de "shorts". Estes são apenas cobre no quadro. Seu objetivo é permitir que uma única rede física seja dividida em duas redes lógicas no software, que é o Eagle neste caso. Nos três casos acima, as peças SH conectam o aterramento local de uma fonte de alimentação comutada ao plano de aterramento em toda a placa.

As fontes de alimentação chaveadas podem ter correntes significativas passando por suas terras, e essas correntes podem ter componentes de alta frequência.

Grande parte dessa corrente circula apenas localmente. Fazendo da terra local uma rede separada conectada à terra principal em apenas um lugar, essas correntes circulantes permanecem em uma pequena rede local e não cruzam o plano de terra principal. A pequena rede local de terra irradia muito menos e as correntes não causam deslocamentos no solo principal.

Eventualmente, a energia deve sair de uma fonte de alimentação e retornar pelo solo. No entanto, essa corrente pode ser filtrada muito mais do que as correntes internas de alta frequência de uma fonte de alimentação comutada. Se bem feito, somente a corrente de saída bem comportada do comutador sai da vizinhança imediata de outras partes do circuito geral.

Você realmente deseja manter as correntes locais de alta frequência fora do plano principal de terra. Isso não apenas evita a compensação da tensão de terra que essas correntes podem causar, como também evita que o terra principal se torne uma antena remota. Felizmente, muitas das correntes terrestres desagradáveis ​​também são locais. Isso significa que eles podem ser mantidos locais, conectando a rede de aterramento local ao aterramento principal em apenas um ponto.

Bons exemplos disso incluem o caminho entre o lado do solo de uma tampa de derivação e o pino de terra do IC que está ignorando. É exatamente isso que você não quer correr pelo terreno principal. Não basta conectar o lado de terra de uma tampa de derivação ao terra principal através de uma via. Conecte-o de volta ao terra do IC através de sua própria trilha ou terra local e, em seguida, conecte-o ao terra principal em um só lugar.

Eu faço principalmente material de mercado comercial e industrial de baixo volume, então isso pode ser diferente em outros lugares.

Pelo menos 75% de um esquema típico é geralmente o tipo de bloco de construção da engenharia: "Preciso de um trilho de 5V a 3A, 5% de tol, tenho 15V", não faz sentido projetar isso quando Ti / Linear / Micrel têm todos têm projetos perfeitamente bons em suas folhas de dados, é apenas um caso de escolher um (e a escolha geralmente não importa muito). É claro que posso projetar a partir dos primeiros princípios, mas não é para isso que sou pago.

O mesmo se aplica a muitos outros subsistemas.

Depois, há os casos "Ele só precisa ter a ordem de grandeza certa", puxe para cima e para baixo para CMOS, resistores em série para LEDs indicadores, coisas assim. Minha prática habitual aqui é deixar isso de lado até que eu veja quais os valores que preciso nesses poucos lugares realmente importa e, em seguida, escolha algo desses valores, se possível. "A alimentação do LED, verde, trilho de 12V? Ok, o led cairá alguns volts mais ou menos, e eu provavelmente quero algo em torno de 1 - 10mA ou mais, então qualquer lugar na região K ficará bem, oh olha, eu precisava de um resistor 3k9 para esse filtro, um deles o fará ".

O verdadeiro truque é saber quando esse palpite de 'dedo no ar' NÃO vai dar certo, geralmente coisas como filtros, redes correspondentes e circuitos de temporização, pll e outras coisas de feedback que envolvem mudanças de fase significativas provavelmente são lugares ruins para adivinhar. Lugares como aquele em que você realmente precisa fazer as contas (normalmente o matlab / scilab / ads fará o trabalho, não é necessário lembrar muito de muitas das tabelas de integrais padrão além do trigonometria básica).

Na verdade, é muito raro (e muito bom quando isso acontece) terminar naquele lugar em que a eletrônica encontra a física e a matemática, com certeza isso acontece, perda de caminho causa ruído, ruído causa ao fazer analógico, esse tipo de coisa, mas isso é talvez 10% de um design, o resto geralmente é um material para cortar biscoitos.

Particularmente ao usar um IC analógico, normalmente haverá um ou mais circuitos de aplicação sugeridos na folha de dados. Por exemplo, atualmente estou projetando um receptor de Qi para um projeto. Os capacitores no circuito indutivo são dependentes de várias variáveis, e a folha de dados fornece algumas equações para determinar seus valores:

Portanto, é apenas uma questão de conectar os números, movimentar o circuito e testá-lo.

Para o design analógico, fazemos os cálculos na maior parte. Algumas coisas, como acoplamento e capacitores de bypass / filtro, podemos simplesmente escolher um valor "típico", sabendo que ele funcionará para o aplicativo. Mas observe que "típico" será diferente para circuitos de corrente contínua, áudio e rádio - é algo com o qual devemos estar familiarizados.

Para polarização e resistores de ganho, geralmente fazemos os cálculos. Faço-os à mão, pois as equações são simples. Freqüentemente, queremos um circuito de "ganho de cerca de 10", para que as proporções sejam simples o suficiente na sua cabeça e os valores (1K vs 1Meg) sejam escolhidos para o tipo de circuito.

A precisão exigida pelo seu aplicativo é o que determina a quantidade de reutilização, design intuitivo e / ou design formal que alguém usaria. Um exemplo de cada um é: amplificador de áudio, amplificador de baixo ruído para TV e amplificador de ultra baixo ruído para um radiotelescópio, respectivamente. Deve ficar claro que o quão "formal / preciso" o seu design deve ser depende de quão "crítica" o aplicativo é (assim como quanto tempo e dinheiro estão disponíveis para o design).