Mange veier til elektroniske prototyper

Takket være den forbedrede ytelsen til borddatamaskiner, tilgang til skyressurser og tilgjengeligheten av avanserte simuleringsverktøy, kan ingeniører modellere ytelsen til elektroniske systemer på et høyt detaljnivå i det virtuelle domenet, så vel som det fysiske domenet gjennom prototyper.

Simulering

I det virtuelle domenet er det mulig å ikke bare analysere frekvensegenskapene og støynivåene til miksede signalkretser, men også deres elektromagnetiske kompatibilitet kan vurderes før en enkelt integrert krets plasseres på et kretskort. Slike simuleringer kan gi en høy grad av sikkerhet i design, uten behov for investering i avansert testutstyr for å utføre omfattende analyse av et kretsdesign. Simulering kan bidra til å sikre at feil i kretsutlegget unngås, slik at den endelige testen kan utføres raskt og enkelt ved bruk av leide fasiliteter.

Rimelige verktøy

Rimelige verktøy, som de som tilbys av Altium og National Instruments' LabView, gir ikke bare verktøy for å utføre SPICE-simuleringer – som er avgjørende for å vurdere den analoge ytelsen til et grunnleggende skjema – men også oppgaver som bestemmer hvor godt et design vil fungere når det først er plassert og satt sammen. Kalkulatorer for lagdeling av mønsterkort, for eksempel, kan bestemme de parasittiske effektene knyttet til rutede ledere, og signalintegritetsanalysatorer vil lokalisere potensielle krysstale- og støyproblemer.

Prototyping av maskinvare, og lavvolum produksjon

Til tross for simuleringsmulighetene som er tilgjengelige i dag, er det mange situasjoner hvor ingenting annet enn en maskinvareprototype vil fungere. Teamet må kanskje bruke maskinvareimplementeringer for å teste antakelser som er for vanskelige eller tidkrevende å utføre i det virtuelle miljøet. For eksempel kan det være en programvareprogrammert styresløyfe, designet for å kjøre på en mikrokontroller, som må evalueres mot virkelige signaler i sanntid for å avgjøre om den er stabil på tvers av en rekke målscenarier.

En programvarebasert instruksjonssimulator kan rett og slett ikke være i stand til å levere resultater i tide eller være drevet av realistiske inndata. Et annet scenario er at ytelsen til forskjellige antenner i en radiofrekvensdesign (RF) må evalueres, og dette kan utføres bedre ved å prøve forskjellige konfigurasjoner knyttet til en maskinvareprototype.

Feltforsøk

Alternativt kan det være tilfelle at prosjektet har kommet så langt at feltforsøk og tidlige kundeaksept-tester vil være nødvendig. Spesielt i sammenheng med tingenes internett (IoT) er det viktig å se hvordan flere enheter fungerer på et nettverk med hverandre og med skyen. På dette tidspunktet må teamet vurdere alternativene for prototyping og muligens lavvolumproduksjon for å kunne tilby nok maskinvare til å støtte et tilfredsstillende feltforsøk.

Hva skal man velge

En rekke alternativer vil være åpne her. Hva som er best vil avhenge av en rekke faktorer. Valgene spenner fra å legge til kundespesifiserte I/O-datterkort til en eksisterende ettkorts datamaskin (SBC), til å bestille en lavvolumsproduksjon fra en leverandør av elektronikkproduksjonstjenester (EMS). Hvis målet er å sikre at programvaren vil fungere som forventet i en maskinvarebasert test av kjernefunksjoner, vil det være fornuftig å bruke en kompatibel SBC og få laget et prototype I/O-kort hvis hyllevarekortet ikke har de nødvendige grensesnittene, eller hvis det ikke har tilstrekkelig ytelse.

Selv om det endelige designet krever et skreddersydd mønsterkortdesign, og muligens med bruk av en annen variant av den innebygde mikrokontrolleren, vil prototypen levere nok nyttig informasjon til å rettferdiggjøres, og minimere eventuelle programvareendringer som vil være nødvendige for produksjonsversjonen. Ved å isolere den skreddersydde I/Oen til et datterbord, kan teamet minimere tiden og kostnadene som trengs for å konstruere en levedyktig prototype.

Kundespesifiserte prototyper

Det vil være tilfeller der bruk av en kombinasjon av hyllevare med tilpasset I/O ikke vil fungere like bra som en spesialdesignet prototype. Testing av antakelser knyttet til signalintegritet kan kreve et mønsterkortdesign som er så nær den endelige produksjonsmodellen som mulig. Feltforsøk vil ofte kreve maskinvare som passer inn i en svært begrenset fysisk- eller effektmessig ramme. Valget står da mellom å bruke mulighetene til et internt laboratorium for å konstruere en fungerende prototype, kontra ledetidene og kostnadene ved å ha ferdigmontert maskinvare levert av en EMS-partner.

Koblingsbrett

Dersom kompleksiteten til maskinvarekomponentene er relativt lav, kan et koblingsbrett-basert (breadboard) alternativ være aktuelt. Dette kan være et passende valg for situasjonen der en SBC kombineres med et tilpasset I/O-datterkort, da antallet komponenter som må monteres på koblingsbrettet vil være relativt lavt. Hvis komponentene for det meste er diskrete, er det lettere å skaffe gjennomhullsenheter som er kompatible med koblingsbrett-plattformer. Erfarne distributører kan gi råd om emballasjealternativene som er åpne for et designteam for prototyping og som støtter en overgang til overflatemonterte komponenter for endelig produksjon.

Betydningen av pakketype

Valg av pakketype representerer en viktig faktor for å avgjøre om det er bedre å bestille fullt bestykkede prototyper fra en EMS-leverandør eller å utføre noe av monteringen i designteamets eget laboratorium. En vanlig tilnærming er å bruke verktøy som de fra Altium og Autodesk for å designe et mønsterkort for en prototype og deretter sette sammen de nødvendige komponentene for designet i laboratoriet. For å bruke denne tilnærmingen er teamet avhengig av en kombinasjon av designinnsikt og tilgang til rimelige laboratorieverktøy og testutstyr.

Håndlodding

I motsetning til koblingsbrett-alternativet, kan designere velge å bruke ikke bare komponenter i hullmonterte pakker, men de som er designet for overflatemontering. Det er imidlertid praktiske begrensninger på hva som realistisk kan settes sammen og loddes i et laboratoriemiljø. Dette er ganske enkelt på grunn av forskjellen i nøyaktighet mellom menneskelige hender og automatisert pick-and-place utstyr som kan plassere små komponenter med sub-millimeter nøyaktighet. Til en viss grad vil overflatespenningen til et varmt loddemetall, forutsatt at det er avsatt rimelig nøyaktig på overflaten av et mønsterkort, bidra til å trekke små diskrete komponenter på plass. Imidlertid er det klart lettere å montere for hånd diskrete enheter som kommer i de større overflatemonterte pakkene eller deres hullmontertee versjoner enn 0402 – eller mindre – overflatemonterte enheter.

OFM

Tilsvarende vil overflatemonterte enheter med pinner rundt kanten, for eksempel quad flat-pack pakker, være lettere å plassere og lodde i et laboratoriemiljø sammenlignet med de som bruker ball-grid array (BGA) fordi ingeniøren kan se om pinnene er riktig justert før lodding. Mange overflatemonterte ICer kommer i en rekke ulike pakkealternativer, slik at QFP-varianten kan brukes til lavproduksjon og prototyping, mens BGA- eller brikkeskala-pakkevarianter brukes i produksjonen.

Distributører med erfaring med design-in support kan gi råd om hvilke komponenter som er egnet for en tosidig tilnærming der prototypen bruker én form og det endelige kretskortet den rimeligere eller mer kompakte varianten. Simuleringsverktøy vil bidra til å identifisere potensielle endringer i signalintegritet eller I/O-ruting som kan være nødvendig for å imøtekomme overgangen fra prototype til produksjon.

Benkverktøy som kan lette montering

Det finnes en rekke dagligdagse verktøy til arbeidsbenken, for eksempel loddebolter med fin spiss, for å lette montering i laboratoriet. I dag er mikroskopet et essensielt hjelpemiddel for å montere enheter med tette ledere på nakne mønsterkort. Stereo-zoom-mikroskopet gir typisk ringbelysning for å hjelpe med presisjonsplassering av komponenter og for å støtte inspeksjon etter omsmelting. Loddepastadispenser er et annet viktig verktøy. Vanligvis bruker dette trykkluft for å påføre kontrollerte mengder loddepasta på kortet på en repeterbar måte. Det høye nivået av kontroll over dispensering letter monteringen av pakker, slik som QFP, som har et stort antall tettsittende pinner.

For selve omsmeltingsloddingen kan en ingeniør bruke en omsmeltingsvarmeplate for å lodde små deler av kortet om gangen. Alternativt kan alle komponentene monteres før de overføres til en liten omsmeltingsovn i bordversjon.

Omarbeidingsverktøy

Siden et visst nivå av loddefeil vil være uunngåelig for alle, bortsett fra de mest erfarne ingeniørene, vil test- og omarbeidingsverktøy være viktig. Varmeplater og varmluftsverktøy hjelper til med fjerning av feiljusterte eller defekte komponenter som er klare for en omloddingsoperasjon. For test er et multimeter et viktig verktøy da det kan brukes til å probe alle synlige loddeøyer og overflateledere når du sjekker lederegenskapene. Farnell har et omfattende utvalg av laboratorieverktøy laget av spesialister som Metcal og Weller, og har intern ekspertise til å gi råd om deres egenskaper for prototypemontering og omarbeiding.

Å sette det hele sammen

For et designteam er det mange alternativer og avveininger som er åpne når det gjelder å lage og bruke prototyper under produktutvikling. Erfarne distributører kan gi verdifulle råd om innkjøp av komponenter som er egnet for laboratoriemontering og den beste måten å levere til EMS-partnere, samt hvordan pakketyper og leveringsalternativer kan endres for å tilpasses sluttproduksjonen. I tillegg kan de veilede designteam om de beste verktøyene å bruke i laboratoriet når intern montering er den beste veien å gå.

Alt som trengs nå for å gjøre en produktidé til virkelighet, er fantasien og dyktigheten til en ingeniør.

Om forfatteren: Simon Meadmore er globalt ansvarlig for IP&E i Farnell.