Como prototipar?

Como é feita a prototipagem em um ambiente profissional de EE? Você faz seus protótipos em tábuas de pão, em placas revestidas de cobre, no estilo Manhattan, ou apenas desenha esquemas, encomenda PCBs feitos e montados e trabalha com eles, invadindo aqui e ali, se necessário?

Uma vez, há cerca de 15 anos, contratei um novo EE direto da colagem. No primeiro dia de trabalho, ele me perguntou como prototipamos (tábua de pão, papelão ondulado etc.). Eu disse que apenas vamos diretamente para fazer um PCB e, se funcionar, enviamos!

Enquanto brincava, isso não está longe da verdade. 90% dos produtos que eu projetei (e já fiz muito) foram feitos dessa maneira. Decidimos o que queremos fazer e depois fazemos. Muitas vezes, a primeira versão do PCB não funciona perfeitamente, por isso o corrigimos da melhor maneira possível e construímos outra rodada de PCBs. Repita esse processo até que funcione.

Esse mesmo processo também é feito para coisas não elétricas. O chassi de metal ou plástico, etc.

Raramente sentiremos que é necessário um PCB puramente direcionado à pesquisa. É quando a tecnologia que precisamos inventar é muito difícil e precisamos testá-la antes de dedicar os recursos para criar um produto real. Nesse caso, projetaremos o PCB com P&D em mente, não com produção em volume. Isso significa que as peças na placa de circuito impresso estão espalhadas para facilitar a sonda, e não nos importamos muito com o custo para fazê-la.

Em todas as empresas em que trabalhei, é assim que os produtos são desenvolvidos. Essas empresas não eram lugares como a Nasa que são mais pesados ​​em pesquisas.

Eu trabalho para uma empresa muito pequena, produzindo um número muito pequeno de PCBs, portanto, a maneira como criamos protótipos é provavelmente mais semelhante à da maneira como David Kessner faz. Normalmente, temos muito pouco tempo e financiamento, então muitas vezes precisamos realmente tentar acertar (ish) da primeira vez, e se não for, precisamos apenas consertar as placas manualmente.

O que torna nossos PCBs incomuns é que, estando em dispositivos robóticos, sempre somos pressionados desesperadamente por espaço, e esse espaço geralmente é uma forma estúpida. Quando projeto um protótipo, a pergunta que estou tentando responder é: 'É possível que esses componentes se encaixem nesse espaço?' Às vezes, esse protótipo existe apenas no CAD, mas eu tenho que percorrer todo o layout antes de ter certeza de que o design é viável. Depois de ter feito a maior parte do trabalho de design, colocarei esse design em um espaço livre na próxima execução de PCB que fizermos.

Por exemplo, esta pequena PCB redonda tem apenas 15 mm de diâmetro, mas possui 49 componentes e também precisa de espaço para os fios serem soldados em blocos, para alimentação, comunicação e programação. Eu fiz o layout para ver se era possível. Foi, então eu tinha um feito.

Dito isto, para uma diretoria mais complexa, realmente vale a pena apresentar uma grande, para sondagem e escopo. Esse design foi apresentado em 100x100mm (enorme!) E foi inestimável para depuração. Em seguida, foi colocado no quadro engraçado que era um pesadelo de restrições físicas, dificultando a adição de recursos de depuração. Fiquei muito feliz por ter tido o protótipo.

Não existe um simples "conselho". Um produto, que pode ser basicamente uma placa de circuito, percorre várias etapas.

Na maioria das vezes, eu desenho o circuito para o que achamos que queremos que o produto faça, mas a primeira versão é uma placa de teste de bancada. Isso nem está fingindo ter a forma mecânica final. É uma placa com o espaço necessário para ser capaz de sondar, fazer edições, se necessário, etc. Geralmente, é uma placa retangular com pés de borracha na parte inferior nos cantos. O circuito é o que se destina à produção, mas geralmente com algumas instalações de depuração extras. Por exemplo, os pinos do processador não utilizados são trazidos para os rótulos em vez de apenas terminarem no processador. Pode haver LEDs extras ou talvez uma porta serial, mesmo que a unidade final não tenha uma. Pontos de teste rotulados deliberados são adicionados para várias redes intermediárias que podem ser úteis para conectar-se, examinar com um escopo, alimentar um sinal etc. Pode haver jumpers em alguns lugares para desconectar partes do circuito. O objetivo desta placa é verificar o circuito e colocar o firmware básico em funcionamento.

Em casos incomuns, quando penso que um circuito é arriscado ou é difícil saber o que é realmente necessário, posso testar apenas um pequeno pedaço em uma dessas tábuas de pão de tira. Por exemplo, há um tempo atrás, tive que fazer um produto receber e processar sinais de ultrassom, mas com corrente muito baixa. Você pode ler todas as planilhas de dados, mas, para algo assim, são necessárias experiências reais para descobrir qual ganho é bom o suficiente, quão pouca largura de banda pode ser obtida na realidade e se alguns dos truques extras de corrente baixa realmente funcionam como esperado. As folhas de dados do transistor geralmente não informam quais são as características da peça com apenas alguns µA. Às vezes você só precisa tentar coisas. Felizmente isso é incomum e pode ser limitado a um sub-circuito específico. A propósito, Consegui o amplificador de front-end de ultrassom até 35 µA em corrente quieta de 3 V e um ganho de alguns 1000 a 40 kHz, todos com transistores discretos. Isso levou algumas experiências.

Após a primeira placa de teste de bancada, o cliente inevitavelmente quer algo diferente do que foi inicialmente concebido, você encontra pequenas coisas que pode desejar, etc. Você pensaria que era isso, mas raramente a segunda versão está pronta para ser lançada. Isso geralmente não é devido a problemas no circuito, mas principalmente porque agora mais pessoas o veem, sentem o cheiro, tocam, sentem e, de outra forma, se esquivam disso. Todas essas pessoas têm suas próprias opiniões sobre os detalhes do produto e algumas coisas mudarão.

Às vezes, a terceira versão pode estar pronta para produção, mas geralmente são necessárias mais uma ou duas rotações antes que todos fiquem felizes ou cederam, uma parte foi movida porque o dookicky original com o qual essa coisa deveria funcionar ficou obsoleto nos dois anos desde alguém sonhou com a ideia do produto etc. Eu diria que o total de 4 ou 5 versões do conselho é o mais provável, mais para grandes organizações que se orgulham de processos e procedimentos.

Antigamente, quando um pequeno dispositivo de embalagem era um DIL de 8 pinos e cada pino estava em um ângulo de 0,1 ", o painel de prototipagem era girado para fora e pressionado para o serviço, juntamente com algumas esculturas 3D soldadas à mão com inúmeros componentes apenas para provar um conceito.

Atualmente, costumo usar as placas de desenvolvimento dos fabricantes para a maioria dos novos dispositivos que quero experimentar. Todos eles tendem a ter seus pinos de E / S nos cabeçalhos e podem ser conectados a outras placas de avaliação (microcontrolador, dispositivos de interface etc.). Criei a maior parte de um novo produto apenas juntando essas placas.

Minha maneira favorita de prototipar sempre que eu quiser verificar alguns pequenos detalhes antes de confiar em um rascunho ou simulação e colocar um pequeno bloco em um PCB de várias camadas caro com algo entre 100 ... 1000 outros componentes:

Breadboarding. Com placas revestidas de cobre.

O circuito é aproximadamente semelhante ao da fig. 6 no LT AN-104

Fonte: https://electronics.stackexchange.com/a/15059/930

Essa foi uma verificação rápida do projeto de um regulador de tensão que eu precisava no trabalho e queria experimentar antes de terminar uma grande placa de circuito impresso. Parece uma bagunça, e esta é exatamente a grande vantagem: 30 minutos em seu laboratório doméstico economizarão dias em re-projetar seu projeto, porque você perdeu uma pequena (e óbvia?) Pegadinha.

... Apenas três pequenos exemplos, mas você entendeu. É rápido e (às vezes muito) sujo, mas você pode manter curto o que precisar ser curto e obter bons resultados muito rapidamente. Um tutorial muito bom pode ser encontrado na p. 28-31 na App Note 47 de Jim Williams no site da LTC .

Obviamente, isso não funcionará para BGAs e similares, mas sempre que eu precisar de apenas um pequeno hack, esse é o meu caminho favorito.

Perspectiva da eletrônica de potência aqui.

As PCBs com as quais trabalho são uma mistura de componentes geradores de ruído de alta potência e peças sensíveis ao ruído de baixa potência. Verdadeiramente o melhor de dois mundos.

Eu costumo seguir dois caminhos:

1. Se o projeto se basear em algum trabalho mais antigo, pegue o trabalho mais antigo e adicione / altere as coisas conforme necessário (conecte os PCBs, pendure peças no ar, o que for.)

2. Se o projeto é totalmente novo e não há como aproveitar nada antigo, crie uma nova placa do zero.

Geralmente, se você pode se safar do uso de uma unidade existente como ponto de partida e já possui hardware no laboratório (e desde que as alterações necessárias não levem mais tempo para implementar do que seriam necessárias), construir uma unidade nova) é uma tremenda economia de tempo e dinheiro usá-la como seu protótipo / placa de ensaio. Pode levar várias rodadas apenas para acertar o PCB e isso consome o tempo de depuração do protótipo. Em algum momento, faremos uma nova construção usando as PCBs de um design antigo e simplesmente substituiremos as peças conforme necessário. Isso remove os riscos inerentes a um novo layout de PCB.

Sempre que precisamos projetar um novo PCB, tentamos obter o ajuste / forma / função o mais próximo possível do requisito final - mesmo para o primeiro giro. Caso as coisas funcionem perfeitamente (ha!). As rotações de PCB demandam tempo e recursos; portanto, examinamos minuciosamente todas as diretorias para que elas tenham a melhor chance de 'trabalhar' (ou 'trabalhar melhor do que antes') toda vez que fazemos uma rotação. Melhoria contínua, por assim dizer.

Se eu sinto que é necessário (ou vantajoso para o cronograma) ter um protótipo parcial antes da primeira versão do PCB, costumo criá-lo combinando placas de avaliação para as tecnologias envolvidas ou substitutos para elas. Por exemplo, uma placa de microcontrolador pode ter uma interface SPI cabeada à mão conectando-a a uma placa FPGA, ou talvez um chicote de fios seja criado para fazer um bit-bang em algum módulo de uma porta paralela do PC (geralmente usando o que está a caminho de tornando-se o firmware do dispositivo, apenas com um invólucro de E / S de baixo nível diferente).

Depois que você inicia uma linha de produtos, os PCBs das versões existentes do produto (ou mesmo de uma linha diferente que utiliza a mesma tecnologia) podem ser usados ​​como plataforma de prototipagem. Isso pode significar qualquer coisa, desde simplesmente experimentar um novo firmware, usá-los com placas de avaliação ou fazer um pequeno adaptador para substituir um chip, ou até mesmo usar o PCB com todos os componentes, exceto um removido, como uma placa de interrupção para esse chip.

Embora, se for buscado até o momento, pode facilmente se tornar uma distração, às vezes pode ser usado um recurso interno para fazer placas de PC simples, na ordem das operadoras, para determinados ICs ou pequenos circuitos, para adicionar funcionalidade adicional (ou corrigir erros) . Já trabalhei em locais que faziam isso com recursos de fresagem / laser necessários para placas de RF para fins especiais, que às vezes utilizávamos para pequenos módulos lógicos. Para projetos pessoais, uma pequena placa SMT de transferência de toner de um lado pode ser produzida em uma hora e montada em um segundo - não é a qualidade de uma casa de PCB de giro rápido, mas giro rápido não significa operação de circuito no mesmo dia. Às vezes, envio o arquivo para a diretoria e, em seguida, faço minha própria versão para manter o projeto em andamento.

Normalmente, as fábricas chinesas com as quais trabalhamos fazem os protótipos para nós; depois, fazemos modificações para corrigir problemas, adicionar recursos, etc. Em seguida, eles fazem outro protótipo com nossas alterações, testamos essa revisão e descobrimos que eles perderam algo, ou nossas melhorias causaram outros problemas etc. e repita o ciclo de modificações até que funcione bem o suficiente para vender. (Observe que eu não disse que "funciona perfeitamente" ...) Às vezes, as alterações que fazemos envolvem tábuas de pão, mas geralmente são apenas componentes pendurados no espaço soldado uns aos outros com firmeza suficiente para provar que funciona.

Só consigo pensar em algumas vezes em que construí a maior parte do protótipo em uma placa de ensaio sem solda primeiro e, mesmo assim, algumas das coisas conectadas à placa de ensaio eram pequenas placas de circuito próprias, placas de avaliação feitas pelo fabricante do chip ou outras tábuas que eu tinha por aí que eu poderia cortar, porque os chips são impossíveis de usar com uma tábua de pão por conta própria.