Cálculos de diseño para el EE sazonado

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 la pieza. También hay muchos casos en los que la experiencia y la intuición son lo suficientemente buenas y los requisitos son lo suficientemente flojos como para que simplemente escoja un valor. Sin embargo, no confundas eso con un valor aleatorio.

Por ejemplo, para una resistencia desplegable en la línea MISO de un bus SPI, especificaré 100 kΩ y terminaré con ella. 10 kΩ también funcionaría bien, y alguien más que escoge 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 otra parte, al observar el esquema de mi último diseño, en el que estoy trabajando para mostrar los primeros tableros de ahora, veo un caso en el que dediqué un tiempo no solo a especificar el valor de la pieza sino a calcular el Resultado de la variación en el resto del sistema. Hubo tres casos de dos resistencias utilizadas en la retroalimentación a una fuente de alimentación de conmutación. Aquí está el problema redactado como tarea:

Un umbral de entrada de realimentación del 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 utilizar alrededor de 10 kΩ para la resistencia inferior de cada divisor de voltaje. Determine las especificaciones completas de la resistencia en cada caso y determine el voltaje de suministro nominal mínimo / máximo resultante. Se adhieren a los valores de resistencia disponibles. Use 1% si es apropiado y especifique en consecuencia.

Ese es un problema real del mundo real que tomó unos minutos con una calculadora. Por cierto, determiné que las resistencias al 1% eran lo suficientemente buenas. Eso es realmente lo que esperaba, pero hice los cálculos de todas formas 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 este problema fue considerado y realizado los cálculos. Yo o alguien más no tendremos que preguntarnos un año más tarde cuál es la tolerancia del suministro de 3.3 V, por ejemplo, y volver a realizar los cálculos.

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

AcabodeseleccionarR2,R4yR6,perohiceloscálculosparadeterminarR1,R3yR5,ylosrangosnominalesdelafuentedealimentaciónresultante.

AgregadosobrelaspartesSHx(respuestaalcomentario)

LaspartesSHsonloqueyollamo"cortos". Estos son solo cobre en el tablero. Su propósito es permitir que una sola 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 conexión a tierra local de una fuente de alimentación de conmutación al plano de conexión a tierra de toda la placa.

Las fuentes de alimentación de conmutación pueden tener corrientes importantes en sus terrenos, y estas corrientes pueden tener componentes de alta frecuencia.

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

Eventualmente, la energía tiene que fluir fuera de la fuente de alimentación y regresar a través del suelo. Sin embargo, esa corriente se puede filtrar mucho más que las corrientes internas de alta frecuencia de una fuente de alimentación de conmutación. Si se hace correctamente, solo la corriente de salida de buen comportamiento del conmutador sale de las inmediaciones de otras partes del circuito general.

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

Los buenos ejemplos de esto incluyen la ruta entre el lado de tierra de una tapa de desvío y el pin de tierra del IC que está desviando. Eso es exactamente lo que no quieres que se ejecute a través del terreno principal. No solo conecte el lado de tierra de una tapa de derivación al suelo principal a través de una vía. Conéctelo nuevamente a la tierra de IC a través de su propia pista o tierra local, luego conéctelo a la tierra principal en un lugar.

Hago principalmente volumen comercial & Cosas del mercado 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 tiene todos sus diseños perfectamente buenos en sus hojas de datos, es solo un caso 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 a muchos otros subsistemas.

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

El verdadero truco es saber cuándo esa conjetura de 'dedo en el aire' NO la va a cortar, por lo general cosas como filtros, redes de sincronización y circuitos de sincronización, pll y otras cosas de retroalimentación que involucran cambios de fase significativos son probablemente lugares malos para adivinar . Lugares como ese en los que realmente necesitas poner tus matemáticas en (Generalmente matlab / scilab / ads hará el trabajo, no es necesario que recuerdes muchas de las tablas estándar de integrales más allá del trigonometría más básico).

En realidad, es bastante raro (y muy agradable cuando sucede) terminar en ese lugar donde la electrónica se encuentra con la física y la matemática, seguro que sucede, cálculos de pérdida de ruta, cálculos de ruido cuando se hace un análogo, ese tipo de cosas , pero eso es tal vez el 10% de un diseño, el resto suele ser material cortador de galletas.

Particularmente cuando se utiliza un IC analógico, normalmente 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, poner el circuito en el circuito y probarlo.

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

Para las resistencias de polarización y ganancia, generalmente 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 hacerlo 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 uno usaría. Un ejemplo de cada uno es: amplificador de audio, amplificador de bajo ruido para TV y amplificador de ultra bajo ruido para un radio telescopio, respectivamente. Debe quedar claro que la forma en que su diseño debe ser "formal / preciso" depende de qué tan "crítica" sea la aplicación (así como de cuánto tiempo y dinero esté disponible para el diseño).