Comment prototyper?

Comment le prototypage est-il effectué dans un environnement EE professionnel? Faites-vous vos prototypes sur des planches à pain, sur des planches revêtues de cuivre, à la manière de Manhattan, ou dessinez-vous simplement des schémas, commandez-vous des circuits imprimés fabriqués et assemblés et travaillez-vous avec eux, en piratant ici et là si nécessaire?

Une fois, il y a environ 15 ans, j'ai embauché un nouvel EE tout droit sorti du collage. Lors de sa première journée de travail, il m'a demandé comment nous protégeons (planche à pain, wirewrap, etc.). J'ai dit que nous allions directement à la fabrication d'un circuit imprimé et que si cela fonctionnait, nous l'expédions!

Pendant que je plaisantais, ce n’est pas loin de la vérité. 90% des produits que j'ai conçus (et j'en ai fait beaucoup) l'ont été de cette façon. Nous décidons ce que nous voulons faire et ensuite le faisons. Souvent, la première version du circuit imprimé ne fonctionne pas parfaitement. Nous la réparons du mieux possible et construisons une autre série de circuits imprimés. Ensuite, répétez ce processus jusqu'à ce que cela fonctionne.

Ce même processus est fait pour les choses non-électriques aussi. Le châssis en métal ou en plastique, etc.

Nous aurons rarement l'impression qu'un PCB exclusivement axé sur la recherche est nécessaire. C'est à ce moment-là que la technologie que nous devons inventer est très difficile et que nous devons l'essayer avant de consacrer les ressources à la fabrication d'un produit réel. Dans ce cas, nous concevrons le circuit imprimé en tenant compte de la R & D, et non de la production en volume. Cela signifie que les pièces sur le circuit imprimé sont réparties de sorte qu'elles sont faciles à sonder, et nous ne nous soucions pas du coût pour le fabriquer.

Dans chaque entreprise pour laquelle j'ai travaillé, voici comment les produits ont été développés. Ces sociétés n’étaient pas, comme la Nasa, plus axées sur la recherche.

Je travaille pour une très petite entreprise qui fabrique un très petit nombre de PCB. La manière dont nous fabriquons des prototypes est probablement plus semblable à celle de David Kessner. Nous manquons généralement de temps et de fonds, nous avons donc souvent vraiment besoin d'essayer de bien faire les choses (ish) du premier coup, et si ce n'est pas le cas, nous devons simplement corriger les cartes à la main.

Ce qui rend nos PCB inhabituels, c'est que, dans des dispositifs robotiques, nous sommes toujours désespérément à la recherche d'espace, et cet espace est généralement une forme stupide. Lorsque je conçois un prototype, la question à laquelle je tente de répondre est la suivante: "Est-il possible que ces composants s'intègrent dans cet espace?" Ce prototype n’existe parfois que dans la CAO, mais je dois parcourir la totalité de la mise en page avant de pouvoir être sûr que la conception est réalisable. Ayant effectué la majeure partie du travail de conception, je vais ensuite insérer cette conception dans un espace disponible supplémentaire lors de la prochaine utilisation du circuit imprimé.

Par exemple, ce petit circuit imprimé rond ne mesure que 15 mm de diamètre, mais comporte 49 composants et nécessite également de la place pour les fils à souder sur des plaquettes, pour l’alimentation, la communication et la programmation. J'ai fait la mise en page pour voir si c'était possible. C'était, alors j'en avais un.

Cela dit, pour un conseil plus complexe, il vaut vraiment la peine d’en dresser un grand, pour en savoir plus. Cette conception a été présentée à 100x100mm (massif!) Et était inestimable pour le débogage. Ensuite, il a été placé sur cette carte aux formes amusantes qui était un cauchemar de contraintes physiques, rendant difficile l’ajout de fonctionnalités de débogage. J'étais très heureux d'avoir eu le prototype.

Il n'y a pas de simple "le conseil". Un produit, qui peut être en grande partie une carte de circuit imprimé, passe par plusieurs étapes.

La plupart du temps, je conçois le circuit en fonction de ce que nous pensons que nous voulons que le produit fasse, mais la première version est une carte de test sur banc. Cela ne prétend même pas avoir la forme mécanique finale. Il s’agit d’un tableau avec tout l’espace nécessaire pour sonder, effectuer des modifications si nécessaire, etc. Il s’agit généralement d’un tableau rectangulaire avec des pieds en caoutchouc au bas des angles. Le circuit est ce qui est destiné à la production mais souvent avec des installations de débogage supplémentaires. Par exemple, les broches de processeur non utilisées sont acheminées vers des pads étiquetés au lieu de se terminer au niveau du processeur. Il peut y avoir des voyants supplémentaires, ou peut-être un port série, même si l'unité finale n'en aura pas. Des points de test étiquetés délibérément sont ajoutés pour divers réseaux intermédiaires, auxquels il peut être utile de se connecter, de regarder avec un oscilloscope, d’envoyer un signal, etc. Il peut y avoir des cavaliers à quelques endroits pour déconnecter des parties du circuit. Le but de cette carte est de vérifier le circuit et d’obtenir le firmware de base opérationnel.

Dans des cas inhabituels où je pense qu'un circuit est risqué ou qu'il est difficile de savoir ce qui est vraiment nécessaire, je peux tester juste un petit morceau sur l'une de ces planches à pain plug strip. Par exemple, il y a quelque temps, je devais faire en sorte qu'un produit reçoive et traite des signaux ultrasonores, mais avec un courant très faible. Vous pouvez lire toutes les fiches techniques disponibles, mais pour quelque chose de ce genre, il faut de véritables expérimentations pour savoir quel gain est suffisant, combien de bande passante peut être utilisée en réalité et si certaines astuces extrêmement basses fonctionnent réellement. attendu. Les fiches techniques des transistors ne vous expliquent généralement pas quelles sont les caractéristiques de la pièce avec seulement quelques µA. Parfois, il suffit d'essayer des trucs. Heureusement, cela est inhabituel et peut être limité à un sous-circuit spécifique. Au fait, L’amplificateur frontal des ultrasons a été ramené à 35 µA à 3 V, et à un gain de quelques 1000 à 40 kHz, le tout avec des transistors discrets. Cela a pris des expériences.

Après le premier banc d'essai, le client veut inévitablement quelque chose de différent de celui envisagé au début, vous trouvez des petites choses que vous voudrez peut-être différemment, etc. La prochaine version prend généralement en compte les contraintes mécaniques. On pourrait penser que c’est tout, mais la deuxième version est rarement prête à être expédiée. Ce n’est généralement pas à cause de problèmes de circuit, mais surtout parce que de plus en plus de gens le voient, le sentent, le touchent, le sentent, et le font autrement. Ces personnes ont toutes leur propre opinion sur les détails du produit et certaines choses vont changer.

La troisième version peut parfois être prête pour la production, mais il faut généralement un ou deux tours de plus avant que tout le monde soit heureux ou a cédé, une partie a été déplacée parce que le dookicky original avec lequel cette chose était censée fonctionner est devenu obsolète depuis deux ans. Quelqu'un a imaginé l'idée du produit, etc. Je dirais qu'un total de 4 ou 5 versions du conseil est le plus probable, plutôt pour les grandes organisations qui s'enorgueillissent de processus et de procédures.

Dans les temps anciens, quand un petit paquet était un DIL à 8 broches et que chaque broche avait un pas de 0,1 ", le plugboard de prototypage était sorti et mis en service, avec une sculpture 3D soudée à la main, comportant une myriade de composants prouver un concept.

De nos jours, j'ai tendance à utiliser les cartes de développement des fabricants pour la plupart des nouveaux appareils que je veux essayer. Tous ont tendance à faire sortir leurs broches d'E / S dans les en-têtes et peuvent être connectés à d'autres cartes d'évaluation (microcontrôleur, périphériques d'interface, etc.). J'ai construit la plupart d'un nouveau produit simplement en joignant ces cartes.

Mon moyen de prototypage préféré chaque fois que je veux vérifier certains petits détails avant de faire confiance à un brouillon ou à une simulation et de placer un petit bloc sur une carte de circuit imprimé multicouche coûteuse avec quelque chose entre 100 ... 1000 autres composants:

Breadboarding. Avec des planches revêtues de cuivre.

Le circuit est à peu près semblable à la fig. 6 dans l'AN-104 de LT

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

C’était une vérification rapide de la conception d’un régulateur de tension dont j’avais besoin au travail et que je voulais essayer avant de terminer un gros circuit imprimé. Cela a l'air désordonné et c'est justement le gros avantage: 30 minutes dans votre laboratoire à domicile vous éviteront des jours de re-conception de votre projet, car vous avez raté un piège (et une évidence?).

... Juste trois exemples minuscules, mais vous voyez l'idée. C'est rapide et (parfois) très sale, mais vous pouvez rester bref et obtenir de bons résultats très rapidement. Vous trouverez un très bon tutoriel à la p. 28-31 de la note d’application 47 de Jim Williams sur le site Web de LTC .

Bien sûr, cela ne fonctionnera pas pour les BGAs, etc., mais chaque fois que j'ai besoin d'un petit bidouillage, c'est mon chemin préféré.

Perspective électronique de puissance ici.

Les circuits imprimés avec lesquels je travaille sont un mélange de composants générant un bruit de forte puissance et de composants sensibles au bruit de faible puissance. Vraiment, le meilleur des deux mondes.

J'ai tendance à suivre deux chemins:

1. Si le projet est basé sur des travaux plus anciens, prenez les travaux plus anciens et ajoutez / modifiez des éléments si nécessaire (fils dans des circuits imprimés, suspendre des pièces dans les airs, etc.).

2. Si le projet est totalement nouveau et qu'il n'y a aucun moyen de tirer parti de l'ancien, concevez un nouveau panneau à partir de zéro.

En règle générale, si vous parvenez à utiliser une unité existante comme point de départ et que vous disposez déjà de matériel dans le laboratoire (et tant que les modifications à apporter ne prendront pas plus de temps à mettre en œuvre que cela ne le ferait). construire une nouvelle unité), c’est un énorme gain de temps et d’argent que de l’utiliser comme prototype / planche à pain. Cela peut prendre plusieurs tours juste pour que le circuit imprimé soit "correct" et cela prend en compte le temps de débogage de votre prototype. Parfois, nous ferons une nouvelle construction en utilisant les PCB d’une ancienne conception et nous remplacerons simplement les pièces si nécessaire. Cela supprime les risques inhérents à une nouvelle configuration de carte.

Chaque fois que nous devons concevoir un nouveau circuit imprimé, nous essayons d'obtenir un ajustement / une forme / une fonction aussi fidèle que possible aux exigences finales, même pour le premier tour. Juste au cas où les choses fonctionneraient parfaitement (ha!). Les tournures de circuits imprimés prennent du temps et des ressources, nous examinons donc de près chaque tableau afin d’avoir les meilleures chances de «fonctionner» (ou de «fonctionner mieux qu’avant») chaque fois que nous effectuons un tournage. Amélioration continue, pour ainsi dire.

Si j'estime qu'il est nécessaire (ou avantageux pour le calendrier) de disposer d'un prototype partiel avant la première version du circuit imprimé, j'ai tendance à le créer en combinant des cartes d'évaluation pour les technologies impliquées, ou des remplaçants pour celles-ci. Par exemple, une carte micro-contrôleur peut avoir une interface SPI câblée à la main qui la connecte à une carte FPGA, ou peut-être un faisceau de câblage est-il créé pour effectuer le bourdonnement d’un module à partir d’un port parallèle PC (en utilisant souvent ce qui est en train de se produire) devenant le microprogramme du périphérique, uniquement avec un wrapper d’E / S de bas niveau différent).

Une fois que vous avez démarré une gamme de produits, les PCB des versions existantes du produit (ou même d'un produit d'une autre gamme utilisant une technologie identique) peuvent souvent être utilisés comme plate-forme de prototypage. Cela peut vouloir dire simplement essayer de nouveaux microprogrammes, les utiliser avec des cartes eval, créer un petit adaptateur pour remplacer une puce, ou même simplement utiliser le circuit imprimé avec tous les composants retirés sauf un, en tant que carte opto-isolée pour cette puce.

Bien que poursuivi trop loin, il peut facilement devenir une distraction, il peut parfois être utile de disposer d’une capacité interne pour fabriquer de simples cartes de circuit imprimé sur l’ordre des supports pour des circuits intégrés ou des petits circuits particuliers afin d’ajouter des fonctionnalités supplémentaires (ou de corriger les erreurs) . J'ai travaillé dans des endroits où cela fonctionnait avec les ressources de fraisage / laser requises pour les cartes RF spéciales, que nous utilisions parfois pour les petits modules logiques. Pour les projets personnels, une petite carte SMT simple face à transfert de toner peut être produite en une heure et assemblée en une seconde. Ce n'est pas la qualité d'une maison de circuits imprimés à rotation rapide, mais une rotation rapide ne signifie pas un fonctionnement de circuit le jour même. J'envoie parfois le dossier au conseil d'administration, puis je crée ma propre version pour faire avancer le projet.

En général, les usines chinoises avec lesquelles nous travaillons fabriquent les prototypes pour nous, puis nous les modifierons pour résoudre les problèmes, ajouter des fonctionnalités, etc. Ensuite, elles fabriquons un autre prototype avec nos modifications, nous testons cette révision, nous constatons qu'elles ont oublié quelque chose, ou nos améliorations ont causé d’autres problèmes, etc. et répétez le cycle de modifications jusqu’à ce que cela fonctionne assez bien pour être vendu. (Notez que je n'ai pas dit "fonctionne parfaitement" ...) Parfois, les modifications que nous apportons impliquent des cartes de montage, mais généralement, il s'agit simplement de composants suspendus dans l'espace soudés les uns aux autres, suffisamment solides pour prouver que cela fonctionne.

Je ne peux penser qu'à quelques fois lorsque j'ai en fait construit la plupart du prototype sur une planche à pain sans soudure, et que même dans ce cas, certains objets branchés sur la planche à pain étaient de petites cartes de circuit imprimé, soit des cartes d'évaluation fabriquées par le fabricant de puces. ou d’autres planches qui traînaient et que je pouvais découper, car les frites sont impossibles à utiliser avec une planche à pain.