Czy projektowanie obwodów w oparciu o wartości min / maks jest dobrą praktyką?

Raz po raz spieram się z kolegą o powyższe pytanie. Projektując obwód do produkcji masowej (> 10 k / rok) chcę, aby był odporny na każdą możliwą zmianę parametrów podzespołów, o których wiem. Oznacza to na przykład:

• Parametry BJT, takie jak VBE, wzmocnienie prądu itp. W porównaniu do odchylenia i temperatury
• Tolerancje, zależności temperaturowe, starzenie i dryf lutowania elementów pasywnych
• Żywotność komponentów

Ponadto uważam, że każde naruszenie bezwzględnych maksymalnych wartości znamionowych w normalnych warunkach pracy jest niedopuszczalne.

Jak rozumiem mojego kolegę, po prostu uważa, że ​​dbanie o pasożyty i tym podobne jest bezużyteczne. Po prostu połącz to wszystko i spróbuj, jeśli to działa, to wszystko. Umieść kilka elementów w komorze cieplnej, starzej je, a jeśli nadal będą działać, to koniec. Ma więcej doświadczenia w projektowaniu elektroniki komercyjnej niż ja, ale tak naprawdę nie podoba mi się takie podejście. Jestem przekonany, że jako inżynier powinienem pomyśleć o jakiejkolwiek części obwodu, zanim zbuduję go po raz pierwszy.

Czy moje podejście to po prostu chory perfekcjonizm, czy może jest to coś rozsądnego? Odkryłem już, że wielu projektantów elektronicznych nie dba o solidny design ...

Inżynieria to nie tylko tworzenie solidnych projektów, ale także tworzenie projektów, które spełniają niektóre specyfikacje. Zwykle młodzi projektanci nie do końca rozumieją, że czynniki ekonomiczne są częścią specyfikacji . Problem polega na tym, że czasami te czynniki ekonomiczne nie są dobrze określone (często jest to wina kierownictwa), ale od dobrego projektanta oczekuje się, że weźmie pod uwagę również aspekty nie ściśle techniczne w swoich projektach, takie jak:

• Koszty związane z zestawieniem komponentów: kogo to obchodzi, jeśli 1% jednostek zawiedzie w terenie, jeśli bardziej ekonomiczne jest wysyłanie nowego do klienta, zamiast zwiększania niezawodności wszystkich!

• Czas na rynek: kogo obchodzi, czy urządzenia są bardziej niezawodne, jeśli nasi konkurenci wysyłają swoje rzeczy z miesięcznym wyprzedzeniem!

• Planowane starzenie się: (smutne i nieprzyjazne dla środowiska, ale zwykle wygląda to tak): dlaczego powinniśmy wysyłać jednostki, które mogą trwać przez 20 lat, jeśli sprzedajemy je tak, aby mogły pracować za 5 (i zrobiliśmy niższą cenę punkt za to)?!?

• itp.

Wszystko to zależy oczywiście od dziedziny, na którą tworzony jest projekt, który tworzysz. Jeśli dążysz do rynku, na którym pojedyncza awaria może kosztować życie (powiedzmy nowy defibrylator), zastosujesz więcej marginesów bezpieczeństwa do swojego projektu (i będziesz zmuszony to zrobić, w niektórych przypadkach, zgodnie z obowiązkowymi standardami bezpieczeństwa).

Bardziej rygorystyczne specyfikacje są dobre, jeśli na przykład projektujesz planszę o kluczowym znaczeniu dla sondy kosmicznej dla misji ~ 1G $ na Plutona. W takim przypadku naprawdę chciałbyś przewidzieć nieprzewidywalne i przetestować każdą cholerną drobiazg, która może się nie udać. Ale ekonomicznie równoważy to ryzyko pozwu (lub zwolnienia) przez NASA, ponieważ twój kiepski kod MCU sprawił, że cała misja się nie udała!

Reasumując, doświadczeni, odnoszący sukcesy projektanci wiedzą, jak zarządzać wszystkimi tymi czynnikami ekonomicznymi. Oczywiście niektóre z nich są naprawdę inteligentne i naprawdę rozumieją wszystkie delikatne balanse potrzebne do powodzenia projektu (czy to nowy Apple iMostUselessMuchHypedphone czy najlepsze instrumenty do wykrywania bakterii na komecie). Niektóre inne, niewiarygodne, ale prawdziwe, mają po prostu szczęście i znajdują właściwą niszę, w której „Czy prototyp działa po złym traktowaniu? Ok! Wyślijmy go!” Mantra działa dobrze!

BTW, dobry projektant powinien zawsze uważać na stawiane mu wymagania. Czasami ludzie podający ci specyfikacje tak naprawdę nie wiedzą, czego chcą lub potrzebują. Nawet komunikacja między projektantem a klientem (lub kierownictwem) może wprowadzać w błąd. Na przykład, jeśli klient prosi o zdalnie sterowaną stację barometryczną, która może dobrze działać w zimie, nie ma znaczenia, czy pochodzi on z Alaski, czy z Arabii Saudyjskiej! Dobry projektant powinien opracować specyfikacje z klientem, jeśli jest w stanie to zrobić, a odnoszący sukcesy projektant zwykle może zadać właściwe pytania, aby doprecyzować rzeczywiste specyfikacje projektu, aby uszczęśliwić klienta.

Rozumiem, że dla niektórych inżynierów obowiązkowe jest dopracowanie wszystkich szczegółów, szczególnie w przypadku pasjonatów, którzy naprawdę uwielbiają tworzyć rzeczy, które działają dobrze. Nie jest to wina sama w sobie, ale ważne jest, aby zrozumieć, że zdolność do kompromisów jest częścią inżynierii. Z doświadczeniem umiejętność ta poprawi się, zwłaszcza jeśli będziesz współpracować z dobrymi starszymi projektantami.

Możesz również odkryć, że pracujesz dla pracodawcy o zbyt niskim standardzie dla twojego gustu, co może skłonić cię do szukania innej pracy. Ale należy to zrobić po tym, jak zdobędziesz trochę więcej doświadczenia i nauczysz się kilku sztuczek z handlu i sprawi, że będziesz bardziej „apetyczny” dla lepszego pracodawcy.

Jestem z tobą w 100%. To powiedziawszy, istnieją rzeczy (na przykład hFE), w których musisz ufać, że rzeczy nie idą zbyt źle między (powiedzmy) dwoma gwarantowanymi punktami i że nic w fizyce i typowych krzywych nie sugeruje żadnego dziwnego zachowania.

Jeśli stosujesz podejście „próbuj i próbuj”, które może faktycznie być praktycznym sposobem radzenia sobie ze złożonymi pasożytami, powiedz, przynajmniej dowiedz się, jak daleko od katastrofy możesz być, testując limity lub margines fazowy itp. To też działa, i to w porządku.

Problem z podejściem nonszalanckim polega na tym, że jeśli nie wiesz o czymś takim, jak starzenie się transoptora lub pewne rodzaje dryfu lub innych efektów długoterminowych i zaczynasz otrzymywać 10% awarii pola po roku lub dwóch. Albo kończy się to 5% lub 10% stratami, ponieważ niektóre składniki są bardziej typowe niż inne, a 5-10% nie-wypadków zawiesza się później w terenie w trudnych warunkach do odtworzenia.

Nie zostałem jeszcze poparzony przez ryzyko, które podjąłem z otwartymi oczami, przetestowałem i sprawdziłem obiema oczami, nawet jeśli część była poza zalecanymi warunkami pracy lub przeznaczeniem. Zawsze jest to coś, co nie było brane pod uwagę i wychodziło z lewego pola. Myślenie o wszystkich rzeczach, które mogą się nie powieść, jest sposobem na zminimalizowanie tych problemów. Nawet jeśli nie są „twoją winą”. Niektóre z nich to rzeczy na poziomie systemów, które nie mają nic wspólnego z projektowaniem. Na przykład zasilacz, który włącza się i wyłącza 5x w ciągu 2 sekund, nie powinien zawieść, ale może nie być zgodny ze specyfikacją, więc może nie zostać zaprojektowany ani przetestowany.

Naruszenie absolutnych maksymalnych wartości znamionowych jest prawie zawsze bardzo złym pomysłem, nawet w najdalszych rogach przestrzeni projektowej (maksymalna temperatura otoczenia, maksymalne obciążenie, maksymalne napięcie wejściowe, minimalna wentylacja itp.). Może być kilka nieparzystych przypadków, w których można to uzasadnić. Na przykład niektóre produkty muszą działać tylko raz.

Odwrotne podejście, patrz Muntzing . Sprzedaż kondensatorów obejściowych z pewnością spadłaby, gdyby taka praktyka była akceptowana.

Zrobię analizę najgorszego przypadku obwodów, w których wartości składników mogą mieć znaczący wpływ na działanie obwodu; na przykład wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego, w którym wzmocnienie to jest ważne dla następnego obwodu podłączonego do wyjścia wzmacniacza operacyjnego. I zrobię tę samą analizę dla zasilacza impulsowego, aby można było oczekiwać, że napięcie (napięcia) mieszczą się w oczekiwanych granicach. (Będąc przede wszystkim projektantem cyfrowym, wzmacniacze operacyjne i zasilacze są na granicy mojej wiedzy analogowej.) Do przeprowadzenia takiej analizy można użyć LTSpice . Ale nie obchodzi mnie na przykład tolerancja rezystora podciągającego; nie można oczekiwać, że będzie się różnić na tyle, aby coś zmienić.

Chociaż nie wspomniano o tym w pytaniu, ten rodzaj analizy czasem jest ważny również w przypadku projektów cyfrowych. Arkusze danych dla większości cyfrowych układów scalonych zawierają minimalne i maksymalne czasy dla różnych parametrów, takich jak czasy konfiguracji i wstrzymania. Podczas łączenia różnych układów scalonych czasami zmiany czasu w innych układach scalonych, w tym opóźnienia propagacji, będą powodować problemy ze spełnieniem tych wymagań dotyczących czasu. W szczególności napotkałem takie problemy podczas łączenia się ze wspomnieniami.

Jeśli chodzi o planowane starzenie się, jest to czasem konieczne ze względów ekonomicznych. Na przykład akumulator Li-Poly może mieć spodziewany okres użytkowania wynoszący zaledwie trzy lub cztery lata. Czy zapewniasz klientowi sposób wymiany baterii? Czy trzymasz go w zamkniętej obudowie, tak jak Apple robi to z iPhone'ami, w których baterię można wymienić tylko w jednym z ich sklepów (chyba że klient kupił tajne narzędzie i ogląda film na YouTube).

Innym przykładem jest modem komórkowy. Kilka lat temu, pracując nad projektem wykorzystującym modem komórkowy tylko do transmisji danych, podjęto decyzję o zastosowaniu modemu 2G zamiast 3G, mimo że wiedzieliśmy, że 2G zostanie wycofany. Powodem było to, że modem 2G kosztował połowę ceny 3G. Znaleźliśmy przewoźnika, który obiecał, że 2G będzie od nich dostępny przez spodziewany okres użytkowania urządzenia.

Myślę, że strategia, którą najlepiej zastosować, zależy od rodzaju projektowanego produktu. Jeśli jest to coś prostego i niekrytycznego, po prostu implementacja obwodu w arkuszu danych układu scalonego. Prawdopodobnie podejście twojego kolegi jest wystarczająco dobre. Układ scalony i inne komponenty mają gwarancję działania zgodnie z podanymi parametrami. Niewiele potrzeba dodatkowej kontroli.

Ale jeśli (na przykład) projektujesz bardzo dokładne napięcie odniesienia bez użycia układu scalonego do tego celu, wszystkie rzeczy, o których wspominasz, stają się ważniejsze, ponieważ zmiany wpłyną na wydajność.

Ale jeśli projektujesz w „inteligentny” sposób, możesz zrekompensować wiele rzeczy. Na przykład VBE BJT, w układzie scalonym używamy wszędzie lustra prądu, ponieważ tranzystor wejściowy i wyjściowy są wykonane w tym samym etapie produkcji, są prawie identyczne, a różnice w VBE nie mają większego znaczenia. W dyskretnym projekcie (poza układem) można użyć opampa, aby uzyskać dokładne lustro prądu. Wystarczy na przykład użyć dokładnych rezystorów i opampa z niskim przesunięciem. Lustro prądowe może być dokładniejsze dzięki zastosowaniu na przykład rezystorów emiterowych lub realizacji obwodu kompensującego prąd bazowy.

Dzięki doświadczeniu możesz rozpoznać części krytyczne od mniej krytycznych. Ale jeśli nie wiesz (brak doświadczenia), zbadanie wrażliwości na zmiany da ci teraz pomysł.

Myślę, że sztuczka polega na zachowaniu praktycznego podejścia i wprowadzeniu wariacji do perspektywy: co się liczy, a co nie? Gdzie potrzebuję pełnego dochodzenia, a gdzie nie jest to potrzebne.

To zależy od tego, jak solidny jest projekt.

Inżynieria polega na kompromisach. Jeśli chcesz, aby projekt był maksymalnie solidny, twoje podejście jest prawidłowe.

Chciałbym pójść jeszcze dalej i zastosować współczynnik krówki poza wartościami min / max arkusza danych, chyba że dużo wiesz o tym, jak producent doszedł do tych wartości.

Ale zrobienie tego ma koszt - pieniądze, wysiłek, który można by poświęcić innym rzeczom, z czasem na rynek. Nie każdy projekt musi być tak solidny.

Jeśli projektujesz bombę atomową (i naprawdę chcesz mieć pewność, że nie wypadnie przypadkowo), defibrylator serca lub sondę kosmiczną, te koszty są prawdopodobnie warte poniesienia.

Jeśli projektujesz zabawkę tamagouchi, która będzie sprzedawać za 5 USD, prawdopodobnie nie.

W pewnym stopniu twój kolega ma rację - konserwatywny projekt, który ma na celu osiągnięcie średniego zakresu parametrów, w wielu przypadkach będzie działał dobrze przez 99,99% czasu bez potrzeby szczegółowej analizy i testowania.

Jeśli awaria w 0,01% przypadków jest dopuszczalna, to w porządku. Naprawdę.

Musisz ocenić kompromis między kosztem optymalizacji projektu a tym, co otrzymasz w zamian.

Wszystkie odpowiedzi, które otrzymałeś, są bardzo dobre. Jednak jest jeszcze jeden aspekt, który moim zdaniem nie został rozwiązany. Reputacja Twojej i Twojej firmy . W moim przypadku wolałbym „błądzić” po stronie „solidności”. Powodem jest to, że zyskuję reputację w projektowaniu obwodów, które działają niezawodnie w różnych warunkach, a moja firma zyskuje reputację dostarczania niezawodnych produktów. Ze wszystkich (większości) innych względów pozostawiłbym je mojemu przełożonemu / przełożonemu.
Jeśli mój projekt jest zbyt drogi lub jego budowa i testowanie zajmie zbyt dużo czasu, pozwolę mojemu menedżerowi „odepchnąć” mnie i powiedzieć, żebym zmodyfikował projekt, aby kosztował mniej lub został wykonany wcześniej itp. Tak, tak przy użyciu wartości min / max to dobra praktyka .

Projektowanie urządzenia, które będzie działać, jeśli komponenty mają dowolną kombinację zachowań dozwoloną w ich karcie danych, jest dobrą praktyką, gdy jest to praktyczne. Niestety w wielu arkuszach danych nie określono zachowań urządzenia z wystarczającymi szczegółami, aby było to możliwe.

Jako prosty przykład, załóżmy, że bierzemy 74HC374 i podłączamy wyjścia Q0-Q5 bezpośrednio do wejść D2-D7, w celu wykorzystania go jako rejestru przesuwnego 2x4-bit. Takie projekty są powszechne i sprawdzają się w praktyce. Typowy arkusz danych określa jednak, że minimalny czas propagacji urządzenia wynosi 0ns (co oznacza, że ​​wyjście może zmienić się natychmiast w odpowiedzi na zbocze zegara), a minimalny czas podtrzymania wynosi 2ns (co oznacza, że ​​zachowanie urządzenia nie jest gwarantowane, jeśli wejście zmienia się w ciągu 2ns od krawędzi zegara). W praktyce urządzenie, dla którego jakiekolwiek dane wejściowe mogłyby działać nieprawidłowo, jeśli zmieni 2ns po zboczu zegara, prawdopodobnie nie będzie miało wyjść, które zmieniają się szybciej, ale nic w arkuszu danych nie gwarantuje tego. Teoretycznie można zapewnić prawidłowe zachowanie obwodu, dodając obwód opóźniający RC na każdym wyjściu, zanim powróci on do następnego wejścia,

Nie jestem pewien, czy istnieje jakiś szczególny powód, dla którego producenci zazwyczaj nie dostarczają informacji wystarczających do zagwarantowania prawidłowego działania urządzenia (np. Poprzez określenie, że najszybszy czas propagacji dowolnego urządzenia na partii, mierzony od momentu, gdy zegar wzrośnie powyżej VIL, przekroczy wartość o co najmniej __ns dłuższy czas utrzymywania najwolniejszego urządzenia w partii, mierzony od momentu, gdy zegar wzrośnie powyżej VIH), ale na ogół nie; podczas gdy byłoby możliwe dodanie dodatkowego zespołu obwodów, aby zapewnić prawidłowe zachowanie przy wszystkich kombinacjach parametrów, może to czasem podwoić koszt danego zespołu obwodów.