Cálculos de diseño para el EE sazonado

¿Los diseñadores experimentados tienden a hacer una buena cantidad de cálculos o grandes partes de los circuitos están diseñados intuitivamente? Lo pregunto porque parece que los ingenieros de diseño tienden a tener una idea del límite de valor que desea tener aquí, la resistencia allí, para las partes comunes de los circuitos. Si ese es el caso, ¿es porque solo están reciclando diseños? Para el novato esto es alucinante. Sin embargo, libros como el Arte de la electrónica parecen alentar el enfoque de hacer cálculos aproximados sobre la marcha.

Soy un ingeniero eléctrico profesional que habitualmente diseña nuevos circuitos para la producción en volumen, y lo he sido durante más de 35 años.

Sí, con frecuencia hago cálculos para determinar las especificaciones exactas de las piezas. También hay muchos casos en los que la experiencia y la intuición son lo suficientemente buenas y los requisitos lo suficientemente flexibles como para que solo elija un valor. Sin embargo, no confunda eso con un valor aleatorio.

Por ejemplo, para una resistencia pulldown en la línea MISO de un bus SPI, solo especificaré 100 kΩ y terminaré. 10 kΩ también funcionaría bien, y alguien más que elija eso tampoco estaría mal. Si estoy usando una resistencia de 20 kΩ en otro lugar, entonces podría especificar otra en la línea MISO para evitar agregar otra parte a la lista de materiales. El punto es que a veces tienes mucho margen de maniobra, y la intuición y la experiencia son lo suficientemente buenas.

Por otro lado, al mirar el esquema de mi último diseño, que estoy en el medio de sacar los primeros tableros de ahora, veo un caso en el que pasé algún tiempo no solo especificando el valor de la pieza sino calculando el resultado de la varianza en el resto del sistema. Hubo tres casos de dos resistencias utilizadas en la retroalimentación a una fuente de alimentación conmutada. Aquí está el problema redactado como tarea:

Un umbral de entrada de retroalimentación de chip de alimentación es de 800 mV ± 2%. Está utilizando tres instancias de este chip para hacer las fuentes de alimentación de 12 V, 5 V y 3,3 V. Anteriormente ha decidido usar alrededor de 10 kΩ para la resistencia inferior de cada divisor de voltaje. Determine las especificaciones de resistencia completa en cada caso y determine la tensión de alimentación nominal resultante mínima / máxima. Apéguese a los valores de resistencia fácilmente disponibles. Use 1% si es adecuado y especifique en consecuencia.

Ese es un verdadero problema del mundo real que tomó unos minutos con una calculadora. Por cierto, determiné que las resistencias del 1% eran lo suficientemente buenas. Eso es realmente lo que esperaba, pero hice los cálculos de todos modos para asegurarme. También noté el rango nominal completo para cada suministro justo en el esquema. Esto no solo puede ser útil para referirse más adelante, sino que también muestra que se consideró este problema y se realizaron los cálculos. Yo o alguien más no tendremos que preguntarnos un año después cuál es la tolerancia del suministro de 3.3 V, por ejemplo, y volver a hacer los cálculos.

Aquí hay un fragmento del esquema que muestra el caso descrito anteriormente:

Acabo de elegir R2, R4 y R6, pero hice los cálculos para determinar R1, R3 y R5, y los rangos nominales de la fuente de alimentación resultante.

Se agregó sobre las partes SHx (respuesta al comentario)

Las partes SH son lo que yo llamo "cortos". Estos son solo cobre en el tablero. Su propósito es permitir que una única red física se divida en dos redes lógicas en el software, que es Eagle en este caso. En los tres casos anteriores, las partes SH conectan la tierra local de una fuente de alimentación conmutada al plano de tierra de toda la placa.

Las fuentes de alimentación conmutadas pueden tener corrientes significativas que atraviesan sus terrenos, y estas corrientes pueden tener componentes de alta frecuencia.

Gran parte de esta corriente solo circula localmente. Al hacer que la tierra local sea una red separada conectada a la tierra principal en un solo lugar, estas corrientes circulantes permanecen en una pequeña red local y no cruzan el plano de tierra principal. La pequeña red de tierra local irradia mucho menos, y las corrientes no causan compensaciones en la tierra principal.

Eventualmente, la energía tiene que fluir de una fuente de alimentación y regresar por tierra. Sin embargo, esa corriente puede filtrarse mucho más que las corrientes internas de alta frecuencia de una fuente de alimentación conmutada. Si se hace correctamente, solo la corriente de salida con buen comportamiento del conmutador sale de la vecindad inmediata a otras partes del circuito general.

Realmente desea mantener las corrientes locales de alta frecuencia fuera del plano de tierra principal. Esto no solo evita las compensaciones de voltaje de tierra que esas corrientes pueden causar, sino que evita que la tierra principal se convierta en una antena de parche. Afortunadamente, muchas de las desagradables corrientes terrestres también son locales. Eso significa que pueden mantenerse locales conectando la red de tierra local a la tierra principal en un solo lugar.

Buenos ejemplos de esto incluyen la ruta entre el lado de tierra de una tapa de derivación y el pin de tierra del IC que está desviando. Eso es exactamente lo que no quieres correr por el terreno principal. No solo conecte el lado de tierra de una tapa de derivación a la tierra principal a través de una vía. Conéctelo de nuevo a la tierra de IC a través de su propia pista o tierra local, luego conéctelo a la tierra principal en un lugar.

Principalmente hago cosas de bajo volumen en el mercado comercial e industrial, por lo que esto puede ser diferente en otros lugares.

Al menos el 75% de un esquema típico suele ser un tipo de ingeniería de bloques de construcción, "Necesito un riel de 5V a 3A, 5% tol, tengo 15V", casi no tiene sentido diseñar eso, cuando Ti / Linear / Micrel tienen todos obtuvieron diseños perfectamente buenos en sus hojas de datos, solo se trata de elegir uno (y la elección generalmente no importa mucho). Por supuesto, puedo diseñar desde los primeros principios, pero eso no es lo que me pagan.

Lo mismo se aplica para muchos otros subsistemas.

Luego están los casos "Solo necesita tener el orden de magnitud correcto", tire hacia arriba y hacia abajo para cmos, resistencias en serie para LED indicadores, cosas así. Mi práctica habitual aquí es dejar de resolverlos hasta que vea qué valores necesito en esos pocos lugares que realmente importan, y luego elegir algo de esos valores si es posible. "¿Encendido LED, verde, riel de 12 V? Ok, el LED dejará caer un par de voltios más o menos, y probablemente quiera en algún lugar en el rango de 1 a 10 mA, por lo que cualquier parte de la región K estará bien, oh mira, necesitaba un resistor 3k9 para ese filtro, uno de esos lo hará ".

El verdadero truco es saber cuándo esa suposición de 'dedo en el aire' NO va a ser suficiente, por lo general, cosas como filtros, redes y circuitos de sincronización, pll y otras cosas de retroalimentación que involucran cambios de fase significativos son probablemente malos lugares para adivinar. Lugares como ese en el que realmente necesita hacer sus matemáticas (por lo general, matlab / scilab / ads hará el trabajo, no es necesario recordar muchas de las tablas estándar de integrales más allá del trigonometraje muy básico).

En realidad, es bastante raro (y muy agradable cuando sucede) terminar en ese lugar donde la electrónica se une con la física y las matemáticas, seguro que sucede, cálculos de pérdida de ruta, cálculos de ruido cuando se hacen análogos, ese tipo de cosas, pero eso es quizás el 10% de un diseño, el resto es generalmente un cortador de galletas.

Particularmente cuando se usa un CI analógico, típicamente habrá uno o más circuitos de aplicación sugeridos en la hoja de datos. Por ejemplo, actualmente estoy diseñando un receptor Qi para un proyecto. Los condensadores en el bucle inductivo dependen de una serie de variables, y la hoja de datos proporciona algunas ecuaciones para determinar sus valores:

Por lo tanto, solo es cuestión de conectar los números, conectar el circuito y probarlo.

Para el diseño analógico, hacemos los cálculos en su mayor parte. Algunas cosas, como el acoplamiento y los condensadores de derivación / filtro, podríamos elegir un valor "típico", sabiendo que funcionará para la aplicación. Pero tenga en cuenta que "típico" será diferente para DC, audio y circuitos de radio; esto es algo con lo que tenemos que estar familiarizados.

Para las resistencias de polarización y ganancia usualmente hacemos los cálculos. Los hago a mano, ya que las ecuaciones son simples. A menudo, queremos un circuito de "ganancia de aproximadamente 10", por lo que las relaciones son lo suficientemente simples como para pensar en su cabeza, y los valores (1K vs 1Meg) se eligen para el tipo de circuito.

La precisión requerida por su aplicación es lo que dicta la cantidad de reutilización, diseño intuitivo y / o diseño formal que se usaría. Un ejemplo de cada uno es: amplificador de audio, amplificador de bajo ruido para TV y amplificador de ruido ultra bajo para un radiotelescopio, respectivamente. Debe quedar claro que cuán "formal / preciso" debe ser su diseño, depende de cuán "crítica" sea la aplicación (así como de cuánto tiempo y dinero esté disponible para el diseño).