¿Cómo prototipar?

¿Cómo se realizan los prototipos en un entorno profesional de EE? ¿Haces tus prototipos en tableros de pruebas, tableros revestidos de cobre, estilo Manhattan, o simplemente dibujas esquemas, pides PCB hechos y ensamblados y trabajas con ellos, pirateando aquí y allá si es necesario?

Una vez, hace unos 15 años, contraté un nuevo EE directamente del collage. Su primer día en el trabajo, me preguntó cómo prototipamos (placa de pruebas, envoltura de alambre, etc.). Dije que simplemente vamos directamente a hacer un PCB, y si funciona, ¡lo enviamos!

Mientras bromeaba, esto no está lejos de la verdad. El 90% de los productos que he diseñado (y he hecho mucho) se hicieron de esta manera. Decidimos lo que queremos hacer y luego lo hacemos. A menudo, la primera versión de la PCB no funciona perfectamente, por lo que la arreglamos lo mejor que podemos y construimos otra ronda de PCB. Luego repita este proceso hasta que funcione.

Este mismo proceso también se realiza para las cosas no eléctricas. El chasis de metal o plástico, etc.

En raras ocasiones, sentiremos que se requiere un PCB puramente basado en la investigación. Esto es cuando la tecnología que necesitamos inventar es muy difícil y tenemos que probarla antes de dedicar los recursos a hacer un producto real. En este caso, diseñaremos el PCB teniendo en cuenta la I + D, no la producción en volumen. Esto significa que las partes en el PCB están extendidas para que sean fáciles de probar, y no nos importa mucho el costo de hacerlo.

En cada empresa en la que he trabajado, así es como se han desarrollado los productos. Estas compañías no eran lugares como la NASA que requieren más investigación.

Trabajo para una empresa muy pequeña, fabricando un número muy pequeño de PCB, por lo que la forma en que hacemos prototipos es probablemente más similar a la forma en que lo hace David Kessner. Por lo general, tenemos muy poco tiempo y fondos, por lo que a menudo necesitamos tratar de hacerlo bien la primera vez, y si no es así, solo tenemos que parchear los tableros a mano.

Lo que hace que nuestros PCB sean inusuales es que, al estar en dispositivos robóticos, siempre nos empujan desesperadamente por el espacio, y ese espacio suele ser una forma estúpida. Cuando diseño un prototipo, la pregunta que estoy tratando de responder es: '¿Es factible que estos componentes encajen en este espacio?' Ese prototipo a veces solo existirá en CAD, pero tengo que recorrer la mayor parte del diseño antes de poder estar seguro de que el diseño sea factible. Después de haber realizado la mayor parte del trabajo de diseño, luego escabulliré ese diseño en un espacio libre en la próxima ejecución de PCB que hagamos.

Por ejemplo, esta pequeña PCB redonda tiene solo 15 mm de diámetro, pero tiene 49 componentes y también necesita espacio para que los cables se suelden en las almohadillas, para alimentación, comunicación y programación. Hice el diseño para ver si era posible. Lo fue, así que hice uno.

Dicho esto, para un tablero más complejo, realmente vale la pena diseñar uno grande, para sondeo y alcance. Este diseño fue presentado a 100x100mm (masivo) y fue invaluable para la depuración. Luego se presentó en ese tablero de forma divertida que era una pesadilla de restricciones físicas, lo que dificultaba agregar funciones de depuración. Estaba muy contento de haber tenido el prototipo.

No hay un simple "tablero". Un producto, que puede ser en gran parte una placa de circuito, pasa por varios pasos.

La mayoría de las veces diseño el circuito para lo que creemos que queremos que haga el producto, pero la primera versión es una placa de prueba de banco. Esto ni siquiera pretende tener la forma mecánica final. Es un tablero con tanto espacio como sea necesario para poder explorar, hacer ediciones si es necesario, etc. Esto generalmente es un tablero rectangular con patas de goma en la parte inferior en las esquinas. El circuito es lo que está destinado a la producción, pero a menudo con algunas instalaciones de depuración adicionales. Por ejemplo, los pines del procesador no utilizados se llevan a los pads etiquetados en lugar de terminar en el procesador. Puede haber LED adicionales, o tal vez un puerto serie, incluso si la unidad final no tiene uno. Se agregan puntos de prueba etiquetados deliberadamente para varias redes intermedias que podrían ser útiles para conectarse, mirar con un alcance, alimentar una señal, etc. Puede haber puentes en algunos lugares para desconectar partes del circuito. El objetivo de esta placa es verificar el circuito y poner en funcionamiento el firmware básico.

En casos inusuales cuando creo que un circuito es arriesgado o es difícil saber lo que realmente se necesita, puedo probar solo una pequeña pieza en una de esas placas de prueba de enchufes. Por ejemplo, hace un tiempo tuve que hacer que un producto recibiera y procesara señales de ultrasonido, pero con muy poca corriente. Puede leer todas las hojas de datos que hay, pero para algo como esto se necesita una verdadera experimentación para descubrir qué ganancia es lo suficientemente buena, qué tan poco ancho de banda se puede obtener en realidad y si algunos de los trucos de corriente extra baja realmente funcionan como esperado. Las hojas de datos del transistor generalmente no le dicen cuáles son las características de la pieza con solo unos pocos µA a través de ella. A veces solo tienes que probar cosas. Afortunadamente, eso es inusual y puede limitarse a un subcircuito específico. Por cierto, Obtuve el amplificador frontal de ultrasonido a 35 µA a una corriente de reposo de 3 V, y una ganancia de unos 1000 a 40 kHz, todo con transistores discretos. Eso tomó un poco de experimentación.

Después del primer tablero de prueba de banco, el cliente inevitablemente quiere algo diferente de lo previsto al principio, encuentra pequeñas cosas que puede querer diferentes, etc. La siguiente versión generalmente tiene en cuenta las restricciones mecánicas, por lo que probablemente sea un tablero más pequeño y abarrotado. Uno pensaría que era eso, pero rara vez la segunda versión está lista para ser enviada. En general, eso no se debe a problemas de circuito, sino principalmente porque ahora más personas pueden verlo, olerlo, tocarlo, sentirlo y, de lo contrario, jugar con él. Todas estas personas tienen sus propias opiniones sobre los detalles del producto, y algunas cosas cambiarán.

La tercera versión a veces puede estar lista para la producción, pero por lo general toma una o dos revoluciones más antes de que todos estén contentos o se rindan, una parte se movió porque el dookicky original con el que se suponía que funcionaba se quedó obsoleto en los dos años transcurridos desde alguien soñó con la idea del producto, etc. Diría que un total de 4 o 5 versiones del tablero es lo más probable, más para las grandes organizaciones que se enorgullecen de sus procesos y procedimientos.

En los viejos tiempos, cuando un dispositivo de paquete pequeño era un DIL de 8 pines y cada pin estaba en un paso de 0.1 ", entonces el tablero de prototipos se sacaba y se ponía en servicio, junto con una escultura 3D soldada a mano con innumerables componentes solo para probar un concepto

Hoy en día tiendo a usar las placas de desarrollo de los fabricantes para la mayoría de los nuevos dispositivos que quiero probar. Todos estos tienden a llevar sus pines de E / S a los encabezados y se pueden conectar a otras placas de evaluación (microcontrolador, dispositivos de interfaz, etc.). He creado la mayor parte de un nuevo producto simplemente uniendo estas placas.

Mi forma favorita de crear prototipos cada vez que quiero verificar algunos pequeños detalles antes de confiar en un borrador o simulación y poner un pequeño bloque en una costosa PCB de múltiples capas con cualquier cosa entre 100 ... 1000 otros componentes:

Breadboarding. Con tableros revestidos de cobre.

El circuito es más o menos similar a la fig. 6 en LT-AN-104

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

Esta fue una verificación rápida para el diseño de un regulador de voltaje que necesitaba en el trabajo y quería probar antes de terminar una gran PCB. Parece desordenado, y esta es exactamente la gran ventaja: 30 minutos en el laboratorio de su casa le ahorrarán días de rediseño de su proyecto porque se perdió un pequeño (¿y obvio?) Truco.

... Solo tres pequeños ejemplos, pero entiendes la idea. Es rápido y (a veces muy) sucio, pero puedes mantenerte corto lo que sea necesario y lograr buenos resultados muy rápido. Un muy buen tutorial se puede encontrar en la pág. 28-31 en la Nota de aplicación 47 de Jim Williams en el sitio web de LTC .

Por supuesto, esto no funcionará para BGA y similares, pero cada vez que necesito un pequeño truco, esta es mi forma favorita de hacerlo.

Perspectiva electrónica de potencia aquí.

Los PCB con los que trabajo son una mezcla de componentes generadores de ruido de alta potencia y piezas sensibles al ruido de baja potencia. Realmente lo mejor de ambos mundos.

Tiendo a seguir dos caminos:

1. Si el proyecto se basa en un trabajo anterior, tome el trabajo anterior y agregue / cambie cosas según sea necesario (conecte PCB, cuelgue piezas en el aire, lo que sea).

2. Si el proyecto es totalmente nuevo y no hay forma de aprovechar algo viejo, diseñe una nueva placa desde cero.

En general, si puede salirse con la suya utilizando una unidad existente como punto de partida, y ya tiene hardware en el laboratorio (y siempre que los cambios que necesite hacer no terminen demorando más de lo que se necesitaría). construir una nueva unidad) es un gran ahorro de tiempo y dinero usar esto como su prototipo / placa de pruebas. Puede tomar varios giros solo para que la PCB "funcione" correctamente y esto consume el tiempo de depuración de su prototipo. En algún momento haremos una nueva construcción utilizando los PCB de un diseño antiguo y simplemente sustituiremos las piezas según sea necesario. Esto elimina los riesgos inherentes a un nuevo diseño de PCB.

Siempre que necesitamos diseñar una nueva PCB, tratamos de lograr el ajuste / forma / función lo más cerca posible del requisito final, incluso para el primer giro. Por si las cosas funcionan perfectamente (¡ja!). Los giros de PCB toman tiempo y recursos, por lo que analizamos detenidamente cada placa para que tengan la mejor oportunidad de 'trabajar' (o 'trabajar mejor que antes') cada vez que hacemos un giro. Mejora continua, por así decirlo.

Si siento que es necesario (o ventajoso para el horario) tener un prototipo parcial antes de la primera versión de PCB, tiendo a crearlo combinando placas de evaluación para las tecnologías involucradas o sustitutos para ellas. Por ejemplo, una placa de microcontrolador puede tener una interfaz SPI cableada a mano que la conecta a una placa FPGA, o tal vez se crea un mazo de cables para golpear algún módulo desde un puerto paralelo de la PC (a menudo usando lo que está en camino a convirtiéndose en el firmware del dispositivo, solo con un contenedor de E / S de bajo nivel diferente).

Una vez que tiene una línea de productos iniciada, los PCB de las versiones existentes del producto (o incluso un producto de una línea diferente que usa parte de la misma tecnología) a menudo se pueden usar como una plataforma de creación de prototipos. Eso puede significar cualquier cosa, desde simplemente probar un nuevo firmware, hasta usarlos con placas de evaluación, o hacer un pequeño adaptador para reemplazar un chip, o incluso simplemente usar la PCB con todos los componentes menos uno, como una placa de arranque para ese chip.

Si bien si se persigue demasiado, puede convertirse fácilmente en una distracción, a veces se puede utilizar una capacidad interna para hacer placas de PC simples en el orden de los portadores para circuitos integrados o pequeños circuitos en particular para agregar funcionalidad adicional (o corregir descuidos) . He trabajado en lugares que hicieron esto con recursos de fresado / láser que se requerían para placas RF de propósito especial, que a veces aprovechamos para pequeños módulos lógicos. Para proyectos personales, se puede producir una pequeña placa SMT de una cara con transferencia de tóner en una hora y ensamblarla en un segundo: no es la calidad de una casa de PCB de giro rápido, pero el giro rápido no significa la operación del circuito el mismo día. A veces envío el archivo a la casa de juntas y luego hago mi propia versión para mantener el proyecto en movimiento.

Por lo general, las fábricas chinas con las que trabajamos hacen los prototipos para nosotros, luego les haremos modificaciones para solucionar problemas, agregar funciones, etc. Luego hacen otro prototipo con nuestros cambios, probamos esa revisión, descubrimos que se perdieron algo, o nuestras mejoras causaron otros problemas, etc. y repetimos el ciclo de modificaciones hasta que funcione lo suficientemente bien como para vender. (Tenga en cuenta que no dije "funciona perfectamente" ...) A veces los cambios que hacemos involucran paneles de pruebas, pero por lo general son solo componentes colgados en el espacio soldados entre sí lo suficientemente resistentes como para demostrar que funciona.

Solo puedo pensar en algunas veces cuando realmente construí la mayor parte del prototipo en una placa de prueba sin soldadura primero, e incluso entonces, algunas de las cosas conectadas a la placa de prueba eran pequeñas placas de circuito propias, ya sea placas de evaluación hechas por el fabricante del chip u otras tablas que tenía por ahí que podría cortar, porque las fichas son imposibles de usar con una placa de pan por sí mismas.