La progettazione del circuito si basa su valori min / max è una buona pratica?

Di tanto in tanto sto discutendo con un mio collega sulla domanda sopra. Quando progetto un circuito per la produzione di massa (> 10k / a), voglio renderlo robusto contro ogni possibile variazione dei parametri dei componenti che conosco. Questo significa ad esempio:

• Parametri BJT come VBE, guadagno corrente ecc. Rispetto a polarizzazione e temperatura
• Tolleranze, dipendenze di temperatura, deriva dell'invecchiamento e della saldatura dei passivi
• Durata dei componenti

Inoltre, considero inaccettabile qualsiasi violazione delle classificazioni massime assolute in normali condizioni operative.

A quanto ho capito, il mio collega ritiene che sia inutile occuparsi dei parassiti e simili. Metti tutto insieme e prova se funziona, tutto qui. Metti alcuni pezzi nella camera di calore, invecchiali e se funzionano ancora dopo, il gioco è fatto. Ha una maggiore esperienza nella progettazione di elettronica commerciale di me, ma non mi piace molto un approccio del genere. Sono convinto che come ingegnere avrei dovuto pensare a qualsiasi parte di un circuito prima di costruirlo per la prima volta.

Il mio approccio è solo un perfezionismo malato o ha qualcosa di ragionevole? Ho già scoperto che molti progettisti elettronici non si preoccupano del design robusto ...

L'ingegneria non riguarda solo la creazione di progetti robusti, ma la creazione di un progetto che soddisfi alcune specifiche. Di solito i giovani designer non comprendono appieno che i fattori economici fanno parte delle specifiche . Il problema è che a volte quei fattori economici non sono ben specificati (questo è spesso un errore della direzione), ma ci si aspetta che un buon designer consideri anche aspetti non strettamente tecnici nei suoi progetti, come:

• Costi relativi alla distinta base: chi se ne frega se l'1% delle unità si guasta sul campo se è più economico spedirne una nuova al cliente invece di renderle tutte più affidabili!

• Time to market: chi se ne frega se le unità sono più affidabili se i nostri concorrenti spediscono le loro cose con un mese di anticipo!

• Obsolescenza pianificata: (triste e non rispettosa dell'ambiente, ma di solito va così): perché dovremmo voler spedire unità che possono durare 20 anni se le commercializzassimo per poter lavorare per 5 (e abbiamo fatto un prezzo più basso punto per quello)?!?

• eccetera.

Tutto ciò dipende dal campo a cui è destinato il design che stai creando, ovviamente. Se miri a un mercato in cui un singolo guasto potrebbe costare la vita (ad esempio un nuovo defibrillatore), applicherai più margini di sicurezza al tuo progetto (e sarai costretto a farlo, in alcuni casi, secondo gli standard di sicurezza obbligatori).

Specifiche più rigorose sono buone se, ad esempio, stai progettando una scheda mission-critical per una sonda spaziale per una missione di ~ 1G $ su Plutone. In tal caso, vorresti davvero prevedere l'imprevedibile e testare qualsiasi piccola cosa dannata che possa andare storta. Ma questo è controbilanciato, economicamente, dal rischio di essere citato in giudizio (o licenziato) dalla NASA perché il tuo maledetto codice MCU ha fatto fallire tutta la missione!

Ricapitolando, designer di successo con esperienza sanno come gestire tutti questi fattori economici. Naturalmente alcuni di loro sono davvero intelligenti e comprendono davvero tutti i delicati equilibri necessari per portare a buon fine un progetto (che si tratti del nuovo Apple iMostUselessMuchHypedphone o dei migliori strumenti per rilevare i batteri su una cometa). Alcuni altri, incredibili ma veri, sono solo fortunati e trovano la nicchia giusta dove "Il prototipo funziona dopo essere stato maltrattato un po '? Ok! Spediamolo!" il mantra funziona bene!

A proposito, un buon designer dovrebbe sempre diffidare dei requisiti che gli vengono dati. A volte le persone che ti danno le specifiche non sanno davvero cosa vogliono o di cui hanno bisogno. Anche la comunicazione tra il designer e il cliente (o la direzione) potrebbe essere fuorviante. Ad esempio, se un cliente richiede una stazione barometrica controllabile a distanza che può funzionare bene durante l'inverno, non importa se viene dall'Alaska o dall'Arabia Saudita! Un buon designer dovrebbe elaborare le specifiche con il cliente, se è nella posizione di farlo, e un designer di successo di solito può porre le domande giuste per inchiodare le specifiche effettive del design per rendere felice il cliente.

Posso capire che per alcuni ingegneri è interessante elaborare tutti i dettagli, specialmente per alcuni individui appassionati che adorano davvero creare cose che funzionano bene. Non è un difetto in sé, ma è importante capire che la capacità di fare compromessi è parte dell'ingegneria. Con l'esperienza questa capacità migliorerà, specialmente se lavori insieme a buoni designer senior.

Potresti anche scoprire che lavori per un datore di lavoro con standard troppo bassi per i tuoi gusti e questo potrebbe spingerti a cercare un altro lavoro. Ma questo dovrebbe essere fatto dopo aver acquisito un po 'più di esperienza e imparato alcuni trucchi del mestiere e rendendoti più "appetibile" per un datore di lavoro migliore.

Sono con te al 100%. Detto questo, ci sono cose (ad esempio hFE) in cui devi fidarti che le cose non vanno troppo traballanti tra (diciamo) due punti garantiti e che nulla nella fisica e nelle curve tipiche suggerirebbe qualsiasi tipo di comportamento strano.

Se stai usando un approccio "taglia e prova", che in realtà potrebbe essere il modo pratico per affrontare parassiti complessi, perlomeno scopri quanto lontano dal disastro potresti essere testando limiti o margine di fase ecc. Funziona anche, e questo è va bene.

Il problema con l'approccio sprezzante è che se non si conosce qualcosa come l'invecchiamento del fotoaccoppiatore o alcuni tipi di deriva o altri effetti a lungo termine e si inizia a ottenere il 10% di guasti sul campo dopo un anno o due. Oppure ti ritrovi con il 5% o il 10% di ricadute perché alcuni componenti sono più tipici di altri e il 5-10% delle non ricadute fallisce più tardi sul campo in condizioni difficili da riprodurre.

Devo ancora essere bruciato dal rischio che ho preso con entrambi gli occhi aperti, valutati, testati e rivisti, anche se la parte era al di fuori delle condizioni operative raccomandate o dell'uso previsto. È sempre qualcosa che non è stato considerato ed è uscito dal campo di sinistra. Pensare a tutte le cose che possono andare storte è come ridurre al minimo questi problemi. Anche se non sono "colpa tua". Alcuni di essi sono cose a livello di sistema che non hanno nulla a che fare direttamente con il design. Ad esempio, un alimentatore acceso e spento 5 volte in 2 secondi non dovrebbe guastarsi, ma ciò potrebbe non essere conforme alle specifiche, pertanto potrebbe non essere progettato o testato.

Violando rating massimo assoluto è quasi sempre un davvero cattiva idea, anche agli angoli lontani del spazio di progettazione (massima temperatura ambiente, il carico massimo, la tensione di ingresso massima, minima ventilazione ecc). Ci possono essere alcuni casi strani in cui può essere giustificato. Alcuni prodotti devono funzionare solo una volta, ad esempio.

Per l'approccio opposto, vedi Muntzing . Le vendite dei condensatori di bypass precipiterebbero sicuramente se si accettasse la pratica.

Farò un'analisi nel caso peggiore di circuiti in cui i valori dei componenti possono avere un effetto significativo sulle prestazioni del circuito; ad esempio il guadagno di un amplificatore operazionale in cui tale guadagno è importante per il circuito successivo collegato all'uscita dell'amplificatore operazionale. E farò la stessa analisi per un alimentatore a commutazione in modo da poter prevedere che la tensione o le tensioni rientrino nei limiti previsti. (Essendo principalmente un progettista digitale, gli op-amp e gli alimentatori sono circa il limite della mia esperienza analogica.) LTSpice può essere utilizzato per eseguire tale analisi. Ma non mi interessa la tolleranza di un resistore pull-up, ad esempio; non ci si può aspettare che vari abbastanza da fare la differenza.

Sebbene non menzionato nella domanda, questo tipo di analisi a volte è importante anche per i progetti digitali. I fogli dati per la maggior parte dei circuiti integrati digitali includono tempi minimi e massimi per vari parametri come i tempi di configurazione e di attesa. Quando si combinano insieme vari circuiti integrati, a volte le variazioni di temporizzazione in altri chip, inclusi i ritardi di propagazione, causano problemi nel soddisfare questi requisiti di temporizzazione. In particolare, ho incontrato problemi come questo nell'interfaccia con i ricordi.

Per quanto riguarda l'obsolescenza pianificata, ciò è talvolta necessario per motivi economici. Ad esempio, una batteria Li-Poly può avere una durata prevista di soli tre o quattro anni. Offrite un modo per il cliente di cambiare la batteria? Oppure lo tieni in una custodia chiusa, come fa Apple con i suoi iPhone, in cui la batteria può essere cambiata solo in uno dei loro negozi (a meno che il cliente non abbia acquistato uno strumento segreto e segua un video su YouTube).

Un altro esempio è un modem cellulare. Un paio di anni fa, quando si lavorava a un progetto che utilizzava un modem cellulare solo per la trasmissione dei dati, è stata presa la decisione di utilizzare un modem 2G anziché 3G, anche se sapevamo che il 2G sarebbe stato gradualmente eliminato. Il motivo era che il modem 2G costava la metà del prezzo del 3G. Abbiamo trovato un corriere che ha promesso che 2G sarebbe stato disponibile da loro per la durata prevista del dispositivo.

Penso che la strategia che è meglio seguire dipende dal tipo di prodotto che stai progettando. Se è qualcosa di semplice e non critico, è solo un'implementazione di un circuito sul foglio dati di un IC. Quindi probabilmente l'approccio del tuo collega è abbastanza buono. L'IC e altri componenti sono garantiti per lavorare su quanto specificato. Non c'è molto bisogno di un controllo extra.

Ma se (per esempio) stai progettando un riferimento di tensione molto preciso senza usare un IC per questo, allora tutte le cose che menzioni diventano più importanti poiché le variazioni influenzeranno le prestazioni.

Ma se progetti in modo "intelligente", puoi compensare molte cose. Ad esempio il VBE di un BJT, nel design IC usiamo il mirror corrente ovunque, poiché il transistor in e output sono realizzati nello stesso passaggio di fabbricazione sono quasi identici e le differenze in VBE non contano molto. In un design discreto (off-chip) è possibile utilizzare un opamp per creare un mirror di corrente accurato. Ad esempio, basta usare resistori precisi e un opamp a basso offset. Un mirror di corrente può essere reso più preciso usando ad esempio resistori di emettitore o un'implementazione del circuito di compensazione della corrente di base.

Con l'esperienza puoi riconoscere le parti critiche da quelle meno critiche. Ma se non lo sai (nessuna esperienza), indagare la sensibilità alle variazioni ora ti darà un'idea.

Penso che il trucco sia mantenere un atteggiamento pratico e mettere le variazioni in prospettiva: ciò che conta, cosa no? Dove ho bisogno di un'indagine completa e dove non è necessario.

Dipende da quanto sia necessario il design per essere robusto.

L'ingegneria è tutta una questione di compromessi. Se vuoi che il design sia estremamente robusto, il tuo approccio è corretto.

Andrei ancora oltre e applicherei un fattore di sfumatura oltre i valori min / max della scheda tecnica, a meno che tu non sappia molto su come il produttore è arrivato a quei valori.

Ma farlo ha un costo - in denaro, in sforzi che potrebbero essere dedicati ad altre cose, in termini di time to market. Non tutti i progetti devono essere così robusti.

Se stai progettando una bomba atomica (e vuoi essere davvero sicuro che non si spenga per caso), o un defibrillatore cardiaco o una sonda spaziale, probabilmente vale la pena sostenere quei costi.

Se stai progettando un giocattolo tamagouchi che verrà venduto a $ 5, probabilmente no.

In una certa misura il tuo collega ha ragione: per molti scopi un progetto conservativo che mira alla gamma media di parametri funzionerà bene il 99,99% delle volte senza la necessità di analisi e test approfonditi.

Se il fallimento nello 0,01% dei casi è accettabile, allora va bene. Veramente.

È necessario valutare il compromesso tra il costo dell'ottimizzazione della progettazione e ciò che si ottiene in cambio di esso.

Tutte le risposte che hai ricevuto sono molto buone. Tuttavia, c'è un altro aspetto che ritengo non sia stato affrontato. La tua e la tua reputazione aziendale . Nel mio caso, preferirei "errare" dal lato di "robustezza". Il motivo era che avrei guadagnato la reputazione di progettare circuiti che funzionassero in modo affidabile in condizioni variabili e che la mia azienda avrebbe avuto la reputazione di fornire prodotti affidabili. Tutte (la maggior parte) altre considerazioni, le lascerei al mio manager / supervisore.
Se il mio progetto è troppo costoso o ci vorrà troppo tempo per costruire e testare, lascerei che il mio manager mi "respinga" e mi dica di modificarlo in modo che costi meno o venga fatto prima, ecc. Quindi, sì , usando valori min / max è una buona pratica .

Progettare un dispositivo che funzioni se i componenti hanno una combinazione di comportamenti consentiti dalla loro scheda tecnica è una buona pratica quando è pratico. Sfortunatamente, molte schede tecniche non specificano i comportamenti del dispositivo con dettagli sufficienti per renderlo praticabile.

Come semplice esempio, supponiamo che uno prenda un 74HC374 e colleghi le uscite Q0-Q5 direttamente agli ingressi D2-D7, allo scopo di usarlo come registro a scorrimento 2x4-bit. Tali disegni sono all'ordine del giorno e funzionano bene nella pratica. Una scheda tecnica tipica, tuttavia, specifica che un dispositivo ha un tempo di propagazione minimo di 0 ns (il che significa che l'uscita potrebbe cambiare istantaneamente in risposta a un limite di clock) e un tempo di attesa minimo di 2 ns (il che significa che il comportamento del dispositivo non è garantito se l'ingresso cambia entro 2ns dal bordo di un orologio). In pratica, è improbabile che un dispositivo per il quale qualsiasi ingresso potrebbe non funzionare correttamente se cambia 2 ns dopo un fronte di clock ha delle uscite che cambiano più velocemente di così, ma nulla nel foglio dati lo garantisce. In teoria si potrebbe garantire il corretto comportamento del circuito aggiungendo un circuito di ritardo RC su ciascuna uscita prima che ritorni all'ingresso successivo,

Non sono sicuro se c'è qualche motivo particolare per cui i produttori generalmente non riescono a fornire informazioni sufficienti a garantire il comportamento corretto del dispositivo (ad esempio specificando che il tempo di propagazione più veloce di qualsiasi dispositivo in un lotto, misurato da quando l'orologio sale sopra VIL, supererà di almeno __ns più a lungo il tempo di attesa del dispositivo più lento nel lotto, misurato da quando l'orologio sale sopra VIH), ma generalmente non lo fanno; mentre sarebbe possibile aggiungere ulteriori circuiti per garantire un comportamento corretto in tutte le combinazioni di parametri, ciò può talvolta raddoppiare il costo dei circuiti coinvolti.