Наткнулся на статью и она мне показалась довольно интересной для ознакомления, я решил сделать ее перевод. Некоторые ошибки, описанные в статье, связаны с дизайном электроники, некоторые с выбором форм-фактора устройства, а некоторые носят общий характер. Многие вещи в статье довольно очевидны, о некоторых же, в процессе проектирования, можно очень легко забыть и не сделать расчет, как например, недостаточная ширина для сильноточных трасс печатной платы. В общем, статья довольно длинная, приступаем.
Дизайн не предназначен для производства
Зачастую люди недооценивают сложность разработки нового электронного устройства и еще чаще недооценивают сложность его производства.
Для многих продуктов подготовка производства занимает почти столько же времени, а иногда даже больше, чем разработка данного продукта. То же относится и к стоимости начала производства, затраты могут быть соизмеримы с затратами на разработку.
Важно, чтобы ориентир на доступные технологии был первоочередным фактором на протяжении всего процесса проектирования устройства. Этот процесс имеет название Design-For-Manufacturing (DFM).
Ничто не замедлит ваш путь на рынок больше, чем разработка продукта, который не может быть эффективно изготовлен.
Старый путь заключается в том, что инженеры разрабатывают продукт и отправляют его производителю (или в производственный департамент для больших компаний), который затем выясняет как на самом деле его изготовить. В данном случае никакого взаимодействия между инжинирингом и производством практически не было.
Но это ужасный способ разработки продукта, именно поэтому успешные компании отказались от этого процесса.
Намного лучше разрабатывать продукт, ориентируясь на производство с самого начала разработки. Для примера, простое изменение конструкции может оказать огромное влияние на упрощение и ускорение производства продукта.
Неправильный дизайн беспроводных устройств
Если продукт имеет какую-либо беспроводную функциональность, топология печатной платы для RF участков является сверхкритической. К сожалению, чаще это делается неправильно, чем правильно и за этим необходимо следить очень внимательно.
Для примера, для максимальной передачи мощности между передатчиком и антенной их импедансы должны быть согласованы. Это означает две вещи.
Во-первых, это правильная линия передачи, соединяющая антенну и приемопередатчик. Эта линия изготавливается на печатной плате специально для переноса высокочастотных колебаний. Существует два основных типа линий передачи, используемых в конструкциях печатных плат: микрополосковая линия и копланарный волновод.
Микрополосок представляет собой проводящую полоску, отделенную диэлектрическим слоем от заземляющей поверхности под ней. Копланарный волновод подобен микрополоску, за исключением того, что он добавляет еще одну плоскость заземления рядом с проводящей полосой в том же слое. Из двух стилей наиболее часто используется копланарный волновод.
В большинстве случаев линия передачи должна быть спроектирована с импедансом 50 Ом для максимальной передачи мощности.
Не путайте импеданс с простым сопротивлением линии. 50 Ом импеданс относится к комплексному сопротивлению от линии передачи до окружающих наземных плоскостей.
Я предлагаю вам использовать бесплатный инструмент AppCad от Broadcom для расчета правильных размеров линий передачи.
В дополнение к использованию 50-омной линии передачи, также необходимо добавить некоторый тип LC схемы согласования, такой как pi-сеть. Это позволяет точно настроить импеданс антенны для оптимального согласования и максимальной передачи мощности.
Один из лучших способов избежать этих сложностей, а также снизить стоимость сертификации вашего продукта, это использовать предварительно сертифицированный модуль для беспроводных функций.
Для большинства беспроводных функций существует две общие стратегии проектирования: проектирование собственной схемы с использованием соответствующих микросхем или использование предварительно сертифицированного модуля с проверенной функциональностью.
Проектирование собственной беспроводной схемы задача сложная. По факту, это, вероятно, самый сложный тип схемы для правильного проектирования. Честно говоря, скорее всего, это не будет сделано правильно. И вы должны понимать, что вам понадобится несколько итераций прототипа, чтобы сделать все правильно.
Другим недостатком нестандартного дизайна является добавление не менее 10 тысяч долларов к вашим расходам на сертификацию FCC. Использование модуля может немного снизить вашу прибыль, но максимизация прибыли никогда не должна быть вашим первоначальным приоритетом.
Да, вам нужно заранее понять, какой будет ваша прибыль, когда вы достигнете масштабного производства. Но при запуске ваш приоритет должен заключаться в снижении ваших затрат на продукт, а не в максимизации прибыли. Прибыль приходит позже.
Долгое ожидание для оценки стоимости производства
Успешные технические компании всегда приблизительно знают сколько будет стоить производство продукта до того как они начнут полную разработку. Иначе как они могут понять стоить ли развивать продукт?
Если вы не многомиллиардная компания, то скорее всего вы сперва получите уже полностью разработанный продукт. Как только у вас есть окончательный прототип и вы готовы начать его производство, вот тогда вы и начнете оценивать стоимость производства вашего продукта.
Однако что произойдет, если вы обнаружите, что ваш продукт будет стоить дороже, чем вы ожидали? Вы можете увеличить конечную стоимость продукта, однако это будет иметь негативные последствия. Также вы можете попробовать что-то изменить в дизайне продукта, чтобы уменьшить стоимость его производства. Но разве не проще было его сразу спроектировать правильно с учетом стоимости производства?
По понятным причинам многие люди думают, что вы должны полностью разработать продукт прежде чем точно рассчитать затраты на его производство. И это абсолютно неверная точка зрения. Имея определенный опыт, можно достаточно точно оценить стоимость производства практически любого продукта. Это можно сделать задолго до того как у вас будет первый макет печатной платы или готовая трехмерная модель продукта.
Недостаточная ширина для сильноточных трасс печатной платы
Если дорожка печатной платы пропускает через себя ток более чем 500мА, то, вероятно, минимальная допустимая ее ширина будет недостаточной. Допустимая ширина проводника печатной платы рассчитывается, исходя из нескольких факторов, включая толщину медного слоя проводника и на внутреннем или внешнем слое расположен он сам. При той же толщине медного слоя и ширине проводника, проводник на внешнем слое может пропускать через себя больший ток, нежели проводник на внутреннем слое, только по той причине, что он имеет лучше рассеивание тепла за счет потока воздуха.
Толщина же зависит только от толщины медного слоя. Обычно производитель предлагает на выбор несколько вариантов веса медного слоя от 0.5 oz/sq. до 2.5 oz/sq. (унции меди на квадратный фут). При желании данный вес меди можно пересчитать в толщину слоя в мм.
При расчете токонесущей способности проводника необходимо указывать допустимое повышение температуры для этого проводника. Как правило, повешение на 10 градусов является является безопасным выбором, однако, если вы хотите уменьшить ширину проводника, то стоит учесть повышение на 20 и более градусов.
Расчеты ширины проводников достаточно просты и я рекомендую использовать программу для расчета, входящую в состав Kicad (от автора перевода, здесь моя статья по переходу на Kicad).
Отсутствие независимой проверки дизайна продукта
Если вы не позаботились о независимой экспертизе дизайна своего продукта до его прототипа, то возможно вы зря потратили деньги.
Неважно, насколько хорош инженер, никто не совершенен, и все инженеры делают ошибки. Да, меня это касается также (шокирует, я знаю)!
Изготовление прототипов (будь то электронная плата или корпус изделия) дело не из дешевых. Чем больше итераций прототипа вам потребуется, тем больше это будет стоить в общей сложности. Также потребуется больше времени для разработки и вывода продукта на рынок.
Один из лучших способов уменьшить количество необходимых итераций прототипа — получить стороннее мнение, называемое проверкой проекта или design review. Успешные технологические компании всегда требуют, чтобы их инженеры проводили обзоры дизайна, чтобы получить обратную связь от как можно большего числа других инженеров.
К сожалению, многие предприниматели, стартапы и небольшие компании совершают ошибку, полностью пропустив этот важный шаг.
Неправильное использование развязывающих конденсаторов
Критические компоненты нуждаются в чистом, стабильном источнике напряжения. Развязывающие конденсаторы размещаются на шине питания, чтобы помочь в этом.
Тем не менее, для того чтобы развязывающие конденсаторы работали наилучшим образом, они должны быть как можно ближе к выводу, требующему стабильного напряжения. Шина питания должна быть проложена таким образом, чтобы она шла к развязывающему конденсатору перед тем как заходила на вывод, требующий напряжение питания.
Кроме того, очень важно расположить выходной конденсатор для регулятора напряжения как можно ближе к его выходному контакту. Это необходимо для оптимизации стабильности работы регулятора, использующего обратную связь.
Не реализуемый в производстве корпус продукта
Вы потратили все время и деньги на то, чтобы дизайн вашего продукта выглядел просто идеально. Для вас это как произведение искусства, и для этого потребовалось несколько итераций, напечатанных на 3D-принтере, чтобы улучшить его внешний вид и функциональность.
Наконец-то у вас есть идеальный прототип! Теперь осталось только найти производителя для их массового производства и продукт готов. Верно? А что если я скажу вам, что дизайн вашего корпуса бесполезен и вам нужно его полностью переделать? Было бы ужасно услышать нечто подобное, но это весьма распространенное явление.
3D-печать очень сильно прощает ошибки и погрешности. Вы можете создавать и печатать практически все, что только может прийти вам на ум. Но 3D-печать предназначена только для изготовления прототипов. Литье под высоким давлением — это та технология, которая используется для изготовления пластиковых деталей в больших объемах.
И к сожалению, литье под давлением не прощает ошибок. Это технология со многими правилами проектирования, которые должны строго соблюдаться. Эти правила могут быть настолько серьезными и настолько ограничивающими, что требуют серьезного изменения конструкции, чтобы сделать корпус пригодным для производства.
При проектировании корпуса вашего изделия обязательно с самого начала учитывайте требования к литью под давлением.
Неправильно спроектированное посадочное место компонента
Все программные средства для проектирования печатных плат включают библиотеки часто используемых электронных компонентов. Эти библиотеки включают в себя как условно-графическое отображение (УГО) компонента, так и графику посадочного места на печатную плату (или по-другому футпринт). И если вы используете стандартные библиотеки проблем обычно не возникает.
Проблемы начинаются, когда вы пытаетесь использовать компоненты, не входящие в состав стандартных библиотек. Это означает, что проектировщик должен вручную нарисовать УГО и футпринт для печатной платы.
При проектировании посадочного места для компонента очень легко допустить ошибку. Например, если вы не верно укажете расстояние между выводами компонента, ошибившись на доли миллиметра, то это сделает невозможным пайку компонента на плате.
Удобный способ избежать этой ошибки — распечатать макет вашей печатной платы в масштабе 1:1. Затем закажите образцы всех компонентов (в основном, микросхем и разъемов) и вручную разместите их на рисунке печатной платы. Это позволит очень быстро проверить правильность всех посадочных мест компонентов.
Дизайн печатной платы сложен для производства или слишком дорог
Переходные отверстия это металлизированные отверстия, которые соединяют сигналы на разных слоях печатной платы. Наиболее распространенный вид переходных отверстий это сквозные отверстия, которые проходят через все слои печатной платы.
Это означает, что если вам необходимо соединить проводники на двух внешних слоях, то все остальные внутренние слои также будут иметь эти отверстия.
Это может увеличить размер платы, так как переходные отверстия уменьшают пространство для разводки проводников.
Глухое переходное отверстие соединяет внешний слой с внутренним слоем, а скрытое переходное отверстие соединяет два внутренних слоя. Однако глухие и скрытые переходные отверстия имеют очень строгие ограничения на то, на каких слоях они могут использоваться.
Очень просто добавить в дизайн печатной платы глухие или скрытые отверстия, которые будет невозможно произвести. Чтобы понять ограничения для подобных переходных отверстий вам нужно понять как слои укладываются в печатную плату.
Для получения более подробной информации можете ознакомиться с данной статьей.
Имейте в виду, что даже если вы используете глухие и скрытые отверстия корректно, все равно их использование резко увеличивает стоимость производства печатных плат. Зачастую их использование удваивает стоимость прототипов печатной платы, хотя это увеличение будет менее значительным при больших объемах производства.
Почти во всех случаях лучше стараться избегать использования глухих и скрытых переходных отверстий, если только вам не нужно добиться минимальных габаритов печатной платы.
Неправильный дизайн печатной платы для регуляторов напряжения
Импульсный регулятор напряжение преобразует одно напряжение питание в другое, временно накапливая энергию, а затем высвобождая ее на выход контроллируемым образом. В качестве элементов для накопления энергии используются катушки индуктивности и конденсаторы.
В сравнении с простыми линейными регуляторами, импульсные имеют более высокие КПД и потребляют очень мало энергии. Однако их гораздо сложнее использовать.
Самая большая сложность в их использовании — это правильное проектирование печатной платы под них. Вы не можете расположить элементы случайным образом и просто соединить их.
Существуют строгие правила компоновки, которые вы должны соблюдать при проектировании. Но почти все регуляторы имеют в своей документации рекомендуемый дизайн печатной платы и пример правильной компоновки элементов.
Заключение
Этот список может быть легко расширен! Существует почти бесконечное число ошибок, которые ждут когда мы их совершим 🙂
Лучше всего всегда знать о возможных подводных камнях задолго до того, как вы их действительно достигнете. Таким образом, вы можете либо их избежать полностью, либо, по крайней мере, быть лучше подготовленными к их возникновению.
Надеемся, что эта статья поможет вам устранить эти потенциальные ошибки, чтобы вы могли быстрее вывести свой продукт на рынок.
