¿Cómo hacer un prototipo?

Una vez, hace unos 15 años, contraté un nuevo EE directamente del collage. Su primer día en el trabajo, me preguntó cómo realizamos un prototipo (breadboard, wirewrap, etc.). Dije que simplemente vamos directamente a hacer una PCB, y si funciona, la 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 PCB no funciona a la perfección, por lo que lo arreglamos lo mejor que podemos y creamos otra ronda de PCB. Luego repite este proceso hasta que funcione.

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

Rara vez nos sentiremos como si se requiere un PCB puramente orientado a la investigación. Esto es cuando la tecnología que necesitamos inventar es muy difícil y debemos probarla antes de dedicar los recursos para hacer un producto real. En este caso, diseñaremos el PCB con R & D en mente, no con producción en volumen. Esto significa que las partes en el PCB están dispersas para que sean fáciles de probar, y no nos importa mucho el costo de hacerlo.

En todas las empresas en las que he trabajado para esto es cómo se han desarrollado los productos. Estas empresas no eran lugares como la NASA que son más pesados en investigación.

Trabajo para una compañía muy pequeña, que produce cantidades muy pequeñas de PCB, por lo que la forma en que hacemos los prototipos es probablemente más similar a la forma en que lo hace David Kessner. Por lo general, tenemos poco tiempo y fondos, por lo que a menudo necesitamos tratar de hacerlo bien (primera vez), y si no lo es, solo tenemos que parchear los tableros a mano.

Lo que hace que nuestros PCB sean inusuales es que, al estar en dispositivos robóticos, siempre estamos desesperados por el espacio, y ese espacio suele ser una forma estúpida. Cuando diseño un prototipo, la pregunta que trato de responder es: '¿Es posible que estos componentes encajen en este espacio?' Ese prototipo a veces solo existe en CAD, pero tengo que pasar la mayor parte del diseño antes de que pueda estar seguro de que el diseño es factible. Después de haber realizado la mayor parte del trabajo de diseño, a continuación, colaré ese diseño en un poco de espacio libre en la próxima ejecución de PCB que hagamos.

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

Habiendo dicho eso, para un tablero más complejo, realmente vale la pena trazar uno grande, para sondeo y alcance. Este diseño fue diseñado a 100x100mm (¡masivo!) Y fue invaluable para la depuración. Luego se colocó en ese tablero con forma divertida que fue una pesadilla de restricciones físicas, lo que dificultó la adición de funciones de depuración. Me alegró mucho haber tenido el prototipo.

No hay un simple "el 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 todo el espacio necesario para poder sondear, hacer ediciones si es necesario, etc. Esto suele ser un tablero rectangular con pies de goma en la parte inferior de las esquinas. El circuito es lo que se destina a la producción, pero a menudo con algunas instalaciones adicionales de depuración. Por ejemplo, los pines del procesador que no se usan se llevan a los pads etiquetados en lugar de simplemente 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 deliberados para varias redes intermedias que pueden ser útiles para conectarse, mirar con un alcance, enviar 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 marcha el firmware básico.

En casos inusuales en los que creo que un circuito es riesgoso o es difícil saber qué es lo que realmente se necesita, es posible que pruebe una pequeña parte en una de esas placas de protección. Por ejemplo, hace un tiempo tuve que hacer que un producto recibiera y procesara señales de ultrasonido, pero con una corriente muy baja. Puede leer todas las hojas de datos que hay, pero para algo como esto se necesita una experimentación real para descubrir qué ganancia es lo suficientemente buena, cuán poco ancho de banda se puede obtener en la realidad, y si algunos de los trucos de corriente extra bajos realmente funcionan como esperado. Las hojas de datos de transistores 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, esto es inusual y puede limitarse a un subcircuito específico. Por cierto, conseguí que el amplificador de extremo delantero de ultrasonido llegara a 35 µA a una corriente quiesciente de 3 V, y una ganancia de unos 1000 a 40 kHz, todos con transistores discretos. Eso llevó algo de experimentación.

Después de la primera tabla de pruebas de banco, el cliente inevitablemente quiere algo diferente de lo que se imaginó al principio, encontrará pequeñas cosas que puede querer diferentes, etc. La próxima versión usualmente toma en cuenta las restricciones mecánicas, por lo que probablemente sea una más pequeña tablero. Usted pensaría que era eso, pero rara vez la segunda versión está lista para ser enviada. En general, esto no se debe a problemas en el circuito, sino principalmente porque ahora hay más personas que lo ven, lo huelen, lo tocan, lo sienten y, de lo contrario, se meten 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 se necesitan una o dos revoluciones más antes de que todos estén contentos o se hayan rendido, alguna parte se movió porque el problema original con el que se suponía que iba a funcionar se quedó obsoleto dos años desde que alguien inventó la idea del producto, etc. Yo diría que un total de 4 o 5 versiones de la junta es la más probable, más para las grandes organizaciones que se enorgullecen del proceso y los procedimientos.

En los viejos tiempos, cuando un pequeño paquete era un DIL de 8 clavijas y cada clavija tenía un tono de 0.1 ", entonces el tablero de prototipos de prototipos se sacaba y se ponía en servicio, junto con un poco de soldadura a mano, una escultura 3D con una miríada Componentes solo para probar un concepto.

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

Mi forma favorita de creación de prototipos siempre que quiero comprobar algunos pequeños detalles antes de confiar en un borrador o simulación y poner un pequeño bloque en un PCB de múltiples capas caro con cualquier cosa entre 100 ... 1000 otros componentes:

Breadboarding. Con tablas revestidas de cobre.

Elcircuitoesaproximadamentesimilara fig. 6 en el AN-104 de LT

Fuente: enlace

EstafueunacomprobaciónrápidadeldiseñodeunreguladordevoltajequenecesitabaeneltrabajoyqueríaprobarantesdeterminarconunagranPCB.Parececomplicado,yestaesexactamentelagranventaja:30minutosenellaboratoriodesuhogarahorrarándíasenelrediseñodesuproyectoporqueseperdióunapequeña(¿yobvia?)Gotcha.

...Solotrespequeñosejemplos,peroentiendeslaidea.Esrápidoy(avecesmuy)sucio,peropuedesmantenertecortotodoloquenecesitesparamantenertecortoylograrbuenosresultadosmuyrápido.Unmuybuentutorialsepuedeencontrarenlap.28-31en Nota 47 de la aplicación de Jim Williams en el sitio web de LTC .

Por supuesto, esto no funcionará para BGA y similares, pero cuando necesito un pequeño truco, esta es mi forma favorita de ir.

Perspectiva de la electrónica de potencia aquí.

Los PCB con los que trabajo son una combinación de componentes generadores de ruido de alta potencia y piezas sensibles al ruido de baja potencia. En verdad, 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 las cosas según sea necesario (cable en PCB, piezas suspendidas en el aire, lo que sea)

2. Si el proyecto es totalmente nuevo, y no hay forma de aprovechar algo antiguo, diseñe una nueva tabla 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 y cuando los cambios que necesita hacer no terminen en implementarse más que en sería construir una unidad nueva) es un gran ahorro de tiempo y dinero usar esto como su prototipo / tablero. Puede tomar varios giros solo para que el PCB esté "bien" y esto se come en el tiempo de depuración de su prototipo. En algún momento haremos una versión nueva con los PCB de un diseño antiguo y simplemente sustituiremos las piezas según sea necesario. Esto elimina los riesgos inherentes con un nuevo diseño de PCB.

Cuando necesitamos diseñar una nueva PCB, intentamos lograr el ajuste / forma / función lo más cerca posible del requisito final, incluso para el primer giro. En caso de que las cosas funcionen perfectamente (¡ja!). Los giros de PCB requieren tiempo y recursos, por lo que examinamos atentamente 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 considero que es necesario (o que el programa sea ventajoso) tener un prototipo parcial antes de la primera versión de PCB, tiendo a crearlo mediante la combinación de paneles de evaluación para las tecnologías involucradas, o los complementos para ellos. Por ejemplo, una placa de microcontrolador puede obtener una interfaz SPI cableada a mano conectándola a una placa FPGA, o tal vez se cree un arnés de cableado para golpear un módulo desde un puerto paralelo de una 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 haya iniciado una línea de productos, los PCB de versiones existentes del producto (o incluso un producto de una línea diferente que utiliza 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 las 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 tabla de ruptura para ese chip. / p>

Aunque si se persigue hasta el final, puede convertirse fácilmente en una distracción, a veces puede haber un uso de la capacidad interna para hacer tableros de PC simples del orden de los portadores para circuitos integrados o circuitos pequeños para agregar funcionalidad adicional (o descuidos correctos). He trabajado en lugares que hicieron esto con recursos de fresado / láser que se requerían para placas RF de propósito especial, que a veces aprovechábamos para pequeños módulos lógicos. Para proyectos personales, una pequeña placa SMT de un solo lado con transferencia de tóner se puede producir en una hora y se puede ensamblar en una segunda. No es la calidad de un PCB de giro rápido, pero un giro rápido no significa operación en circuito el mismo día. A veces, envío el archivo a la sala 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 características, etc. Luego hacen otro prototipo con nuestros cambios, probamos esa revisión, encontramos que Perdimos algo, o nuestras mejoras causaron otros problemas, etc. y repiten el ciclo de modificaciones hasta que funcione lo suficientemente bien como para venderlo. (Tenga en cuenta que no dije "funciona a la perfección" ...) A veces, los cambios que realizamos incluyen tablas de pruebas, pero por lo general solo son componentes que cuelgan en el espacio soldados entre sí lo suficientemente fuerte como para demostrar que funciona.

Solo puedo pensar en algunas ocasiones en las que primero construí la mayoría del prototipo en una placa de pruebas sin soldadura, e incluso entonces, algunas de las cosas conectadas a la placa de circuitos eran pequeñas placas de circuitos propias, ya sea placas de evaluación hechas por el fabricante de chips u otras tablas que tenía alrededor y que podría cortar, porque las fichas son imposibles de usar con una placa de pruebas por sí mismas.