Basiert das Schaltungsdesign auf bewährten Min / Max-Werten?

Immer wieder streite ich mit einem meiner Kollegen über die obige Frage. Wenn ich eine Schaltung für die Massenproduktion entwerfe (> 10 k / a), möchte ich sie gegen jede mögliche Variation von Komponentenparametern, die mir bekannt sind, robust machen. Dies bedeutet zum Beispiel:

• BJT-Parameter wie VBE, Stromverstärkung usw. gegenüber Vorspannung und Temperatur
• Toleranzen, Temperaturabhängigkeiten, Alterung und Lötdrift von Passiven
• Lebensdauer der Komponenten

Darüber hinaus halte ich jede Verletzung der absoluten Maximalwerte unter normalen Betriebsbedingungen für inakzeptabel.

So wie ich meinen Kollegen verstehe, hält er es nur für eine nutzlose Angelegenheit, sich um Parasiten und dergleichen zu kümmern. Einfach alles zusammenfügen und versuchen, ob es funktioniert, das ist es. Legen Sie einige Stücke in die Wärmekammer, altern Sie sie und wenn sie danach noch funktionieren, sind Sie fertig. Er hat mehr Erfahrung im Entwerfen von kommerzieller Elektronik als ich, aber ich mag einen solchen Ansatz wirklich nicht. Ich bin überzeugt, dass ich als Ingenieur über irgendeinen Teil einer Schaltung nachdenken sollte, bevor ich sie zum ersten Mal aufbaue.

Ist mein Ansatz nur krank Perfektionismus oder hat es etwas Vernünftiges? Ich habe bereits festgestellt, dass sich viele Elektronikdesigner nicht für robustes Design interessieren ...

Beim Engineering geht es nicht nur darum, robuste Designs zu erstellen, sondern es geht auch darum, ein Design zu erstellen, das einige Spezifikationen erfüllt. In der Regel verstehen junge Designer nicht, dass wirtschaftliche Faktoren Teil der Spezifikation sind . Das Problem ist, dass diese wirtschaftlichen Faktoren manchmal nicht genau festgelegt sind (das ist oft ein Fehler des Managements), aber von einem guten Designer wird erwartet, dass er auch nicht streng technische Aspekte in seinen Entwürfen berücksichtigt, wie zum Beispiel:

• Stücklistenkosten: Wen kümmert es, wenn 1% der Einheiten vor Ort ausfallen, wenn es wirtschaftlicher ist, eine neue Einheit an den Kunden zu versenden, anstatt alle zuverlässiger zu machen!

• Time-to-Market: Wen interessiert es, ob die Geräte zuverlässiger sind, wenn unsere Konkurrenten ihre Waren einen Monat im Voraus versenden!

• Geplante Überalterung: (traurig und nicht umweltfreundlich, aber normalerweise sieht es so aus): Warum sollten wir Einheiten mit einer Lebensdauer von 20 Jahren versenden wollen, wenn wir sie vermarkten, um für 5 arbeiten zu können (und wir haben einen niedrigeren Preis erzielt) Punkt dafür)?!?

• etc.

All dies hängt natürlich von dem Bereich ab, auf den sich das von Ihnen erstellte Design bezieht. Wenn Sie auf einen Markt abzielen, auf dem ein einzelner Fehler Leben kosten könnte (z. B. ein neuer Defibrillator), werden Sie mehr Sicherheitsmargen für Ihr Design anwenden (und dies wird in einigen Fällen durch verbindliche Sicherheitsstandards erzwungen).

Strengere Spezifikationen sind gut, wenn Sie zum Beispiel ein missionskritisches Board für eine Raumsonde für eine Mission von ~ 1G $ nach Pluto entwerfen. In diesem Fall möchten Sie das Unvorhersehbare wirklich vorhersehen und nach verdammten Kleinigkeiten suchen, die schief gehen können. Dies wird jedoch wirtschaftlich durch das Risiko ausgeglichen, von der NASA verklagt (oder entlassen) zu werden, da Ihr beschissener MCU-Code die Mission zum Scheitern gebracht hat!

Um es zusammenzufassen: Erfahrene erfolgreiche Designer wissen, wie sie mit all diesen wirtschaftlichen Faktoren umgehen. Natürlich sind einige von ihnen wirklich schlau und verstehen alle Feinheiten, die erforderlich sind, um ein Projekt zum Erfolg zu führen (sei es das neue Apple iMostUselessMuchHypedphone oder die besten Instrumente zum Erkennen von Bakterien auf einem Kometen). Einige andere, unglaublich, aber wahr, haben einfach Glück und finden die richtige Nische, in der "Funktioniert der Prototyp, nachdem er ein bisschen misshandelt wurde? Ok! Lass es uns versenden!" Mantra funktioniert gut!

Übrigens sollte ein guter Designer immer vorsichtig mit den Anforderungen sein, die ihm gestellt werden. Manchmal wissen die Leute, die Ihnen die Spezifikationen geben, nicht wirklich, was sie wollen oder brauchen. Sogar die Kommunikation zwischen dem Designer und dem Kunden (oder dem Management) kann irreführend sein. Wenn ein Kunde beispielsweise eine fernsteuerbare Barometriestation anfordert, die im Winter gut funktioniert, spielt es keine Rolle, ob er aus Alaska oder aus Saudi-Arabien stammt! Ein guter Designer sollte die Spezifikationen mit dem Kunden ausarbeiten, wenn er dazu in der Lage ist, und ein erfolgreicher Designer kann in der Regel die richtigen Fragen stellen, um die tatsächlichen Spezifikationen des Designs festzulegen , um den Kunden glücklich zu machen.

Ich kann verstehen, dass es für einige Ingenieure zwingend ist, alle Details zu erarbeiten, insbesondere für einige leidenschaftliche Personen, die es wirklich lieben , Dinge zu schaffen , die gut funktionieren. Es ist kein Fehler an sich, aber es ist wichtig zu verstehen, dass die Fähigkeit, Kompromisse einzugehen, Teil des Engineerings ist. Mit der Erfahrung wird sich diese Fähigkeit verbessern, insbesondere wenn Sie mit guten Senior-Designern zusammenarbeiten.

Sie könnten auch feststellen, dass Sie für einen Arbeitgeber arbeiten, dessen Standards für Ihren Geschmack zu niedrig sind, und dies könnte Sie dazu zwingen, einen anderen Job zu suchen. Aber dies sollte getan werden, nachdem Sie ein bisschen mehr Erfahrung gesammelt und einige Tricks des Handels erlernt haben und Sie für einen besseren Arbeitgeber "appetitlicher" gemacht haben.

Ich bin zu 100% bei dir. Das heißt, es gibt Dinge (zum Beispiel hFE), bei denen man darauf vertrauen muss, dass die Dinge zwischen (sagen wir) zwei garantierten Punkten nicht zu wackelig werden und dass nichts in der Physik und den typischen Kurven auf irgendeine Art von seltsamem Verhalten hindeuten würde.

Wenn Sie einen Cut-and-Try-Ansatz verwenden, der tatsächlich der praktische Weg ist, um mit komplexen parasitären Ereignissen umzugehen, sollten Sie zumindest herausfinden, wie weit Sie von einer Katastrophe entfernt sind, indem Sie die Grenzwerte oder den Phasenabstand usw. testen in Ordnung.

Das Problem beim Cavalier-Ansatz ist, dass Sie, wenn Sie nichts über Alterung des Optokopplers oder bestimmte Arten von Drift oder andere längerfristige Effekte wissen, nach ein oder zwei Jahren 10% Feldausfälle bekommen. Oder Sie haben am Ende 5% oder 10% Ausfälle, weil einige Komponenten typischer sind als andere, und 5-10% der Nicht-Ausfälle versagen später im Feld unter schwer reproduzierbaren Bedingungen.

Ich muss mich noch mit dem Risiko verbrennen, das ich mit beiden Augen eingenommen habe - bewertet, getestet und überprüft, auch wenn das Teil außerhalb der empfohlenen Betriebsbedingungen oder des vorgesehenen Verwendungszwecks lag. Es ist immer etwas, das nicht berücksichtigt wurde und aus dem linken Feld kam. Wenn Sie über alles nachdenken, was möglicherweise schief gehen kann, können Sie diese Probleme minimieren. Auch wenn sie nicht "deine Schuld" sind. Einige von ihnen sind Dinge auf Systemebene, die nichts direkt mit Design zu tun haben. Beispielsweise sollte ein Netzteil, das 5-mal in 2 Sekunden ein- und ausgeschaltet wurde, nicht ausfallen, aber möglicherweise nicht in den technischen Daten enthalten, sodass es möglicherweise nicht für dieses Gerät entwickelt oder getestet wurde.

Absolute Grenzwerte verletzt , ist fast immer eine wirklich schlechte Idee, auch in den entlegensten Ecken des Bauraums (maximale Umgebungstemperatur, die maximale Last, maximale Eingangsspannung, minimale Lüftung etc.). Es kann ein paar seltsame Fälle geben, in denen dies gerechtfertigt sein kann. Einige Produkte müssen beispielsweise nur einmal funktionieren.

Für den umgekehrten Ansatz siehe Muntzing . Der Verkauf von Bypass-Kondensatoren würde sicherlich sinken, wenn dies akzeptiert würde.

Ich werde eine Worst-Case-Analyse von Schaltkreisen durchführen, bei denen die Komponentenwerte einen signifikanten Einfluss auf die Leistung des Schaltkreises haben können. Zum Beispiel die Verstärkung eines Operationsverstärkers, wobei diese Verstärkung für die nächste Schaltung wichtig ist, die mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist. Und ich werde die gleiche Analyse für ein Schaltnetzteil durchführen, damit ich erwarten kann, dass die Spannung (en) innerhalb der erwarteten Grenzen liegen. (Da ich in erster Linie ein Digitaldesigner bin, sind Operationsverstärker und Netzteile die Grenzen meines analogen Fachwissens.) LTSpice kann für die Durchführung solcher Analysen verwendet werden. Die Toleranz eines Pull-Up-Widerstands ist mir zum Beispiel egal. Es kann nicht erwartet werden, dass es genug variiert, um einen Unterschied zu machen.

Obwohl in der Frage nicht erwähnt, ist diese Art der Analyse manchmal auch für digitale Designs wichtig. Die Datenblätter für die meisten digitalen ICs enthalten Mindest- und Höchstzeiten für verschiedene Parameter wie Einricht- und Haltezeiten. Wenn verschiedene ICs miteinander kombiniert werden, verursachen manchmal Zeitsteuerungsschwankungen in anderen Chips, einschließlich Ausbreitungsverzögerungen, Probleme beim Erfüllen dieser Zeitsteuerungsanforderungen. Insbesondere bei der Verknüpfung mit Erinnerungen bin ich auf solche Probleme gestoßen.

Da die geplante Überalterung vorliegt, ist dies manchmal aus wirtschaftlichen Gründen erforderlich. Beispielsweise kann eine Li-Poly-Batterie eine erwartete Lebensdauer von nur drei oder vier Jahren haben. Bieten Sie dem Kunden die Möglichkeit, die Batterie zu wechseln? Oder bewahren Sie es in einer geschlossenen Hülle auf, wie es Apple bei seinen iPhones tut, bei denen der Akku nur in einem der Läden gewechselt werden kann (es sei denn, der Kunde hat ein geheimes Tool gekauft und folgt einem Video auf YouTube).

Ein weiteres Beispiel ist ein Mobilfunkmodem. Vor ein paar Jahren, als wir an einem Projekt arbeiteten, bei dem nur ein Mobilfunkmodem für die Datenübertragung verwendet wurde, entschied man sich für ein 2G-Modem anstelle von 3G, obwohl wir wussten, dass 2G auslaufen würde. Der Grund war, dass das 2G-Modem die Hälfte des 3G-Preises kostete. Wir haben einen Anbieter gefunden, der versprochen hat, dass 2G für die erwartete Lebensdauer des Geräts bei ihm verfügbar sein wird.

Ich denke, dass die Strategie, die am besten zu verfolgen ist, von der Art des Produkts abhängt, das Sie entwerfen. Wenn es etwas Einfaches und Unkritisches ist, nur eine Implementierung einer Schaltung im Datenblatt eines IC. Dann ist der Ansatz Ihres Kollegen wahrscheinlich gut genug. Es wird garantiert, dass der IC und andere Komponenten über die angegebenen Werte funktionieren. Es ist nicht viel für einen zusätzlichen Scheck erforderlich.

Wenn Sie jedoch (zum Beispiel) eine sehr genaue Spannungsreferenz entwerfen, ohne dafür einen IC zu verwenden, werden all die Dinge, die Sie erwähnen, wichtiger, da Variationen die Leistung beeinflussen.

Wenn Sie jedoch "intelligent" gestalten, können Sie viele Dinge kompensieren. Zum Beispiel die VBE eines BJT, im IC-Design wird überall ein Stromspiegel verwendet, da der Eingangs- und der Ausgangstransistor im selben Herstellungsschritt hergestellt werden und nahezu identisch sind und Unterschiede in der VBE keine große Rolle spielen. In einem diskreten Design (außerhalb des Chips) könnten Sie einen Operationsverstärker verwenden, um einen genauen Stromspiegel herzustellen. Verwenden Sie zum Beispiel präzise Widerstände und einen Low-Offset-Verstärker. Ein Stromspiegel kann genauer gemacht werden, indem beispielsweise Emitterwiderstände oder eine Implementierung einer Basisstromkompensationsschaltung verwendet werden.

Mit der Erfahrung erkennt man die kritischen Teile von den weniger kritischen. Wenn Sie es jedoch nicht wissen (keine Erfahrung), erhalten Sie eine Idee, wenn Sie die Empfindlichkeit für Variationen untersuchen.

Ich denke, der Trick besteht darin, eine praktische Haltung beizubehalten und Variationen ins rechte Licht zu rücken: Was zählt, was nicht? Wo brauche ich eine vollständige Untersuchung, und wo wird das nicht benötigt?

Es kommt darauf an, wie robust das Design sein soll.

Engineering dreht sich alles um Kompromisse. Wenn Sie ein möglichst robustes Design wünschen, ist Ihr Ansatz richtig.

Ich würde noch weiter gehen und einen Fudge-Faktor anwenden, der über die Min / Max-Werte des Datenblattes hinausgeht, es sei denn, Sie wissen viel darüber, wie der Hersteller zu diesen Werten gelangt ist.

Aber das kostet Geld, Aufwand, der sich anderen Dingen widmen könnte, und Zeit bis zur Markteinführung. Nicht jedes Design muss so robust sein.

Wenn Sie eine Atombombe konstruieren (und wirklich sicher sein möchten, dass sie nicht versehentlich hochgeht), einen Herzdefibrillator oder eine Raumsonde, sind diese Kosten wahrscheinlich die Mühe wert.

Wenn Sie ein Tamagouchi-Spielzeug entwerfen, das für 5 US-Dollar verkauft wird, ist dies wahrscheinlich nicht der Fall.

Bis zu einem gewissen Grad hat Ihr Kollege Recht - für viele Zwecke funktioniert ein konservatives Design, das auf den mittleren Bereich von Parametern abzielt, in 99,99% der Fälle einwandfrei, ohne dass umfangreiche Analysen und Tests erforderlich sind.

Wenn ein Versagen in 0,01% der Fälle akzeptabel ist, ist das in Ordnung. Ja wirklich.

Sie müssen den Kompromiss zwischen den Kosten für die Designoptimierung und dem, was Sie dafür erhalten, bewerten.

Alle Antworten, die Sie erhalten haben, sind sehr gut. Es gibt jedoch noch einen weiteren Aspekt, der meines Erachtens nicht angesprochen wurde. Ihr und der Ruf Ihres Unternehmens . In meinem Fall würde ich es vorziehen, auf der Seite der "Robustheit" zu "irren". Der Grund dafür war, dass ich den Ruf erlangte, Schaltungen zu entwickeln, die unter verschiedenen Bedingungen zuverlässig funktionieren, und dass mein Unternehmen den Ruf erhielt, zuverlässige Produkte anzubieten. Alle (meisten) anderen Überlegungen würde ich meinem Manager / Vorgesetzten überlassen.
Wenn mein Design zu teuer ist oder zu viel Zeit für das Erstellen und Testen in Anspruch nimmt, lasse ich mich von meinem Manager "zurückschieben" und fordere mich auf, das Design so zu ändern, dass es weniger kostet oder früher ausgeführt wird usw. Also, ja min / max - Wert unter Verwendung ist eine gute Praxis .

Das Entwerfen eines Geräts, das funktioniert, wenn Komponenten eine nach ihrem Datenblatt zulässige Verhaltenskombination aufweisen, ist eine gute Vorgehensweise, wenn dies praktisch ist. Leider können viele Datenblätter das Verhalten von Geräten nicht detailliert genug angeben, um dies zu ermöglichen.

Nehmen wir als einfaches Beispiel an, man nimmt einen 74HC374 und verdrahtet die Ausgänge Q0-Q5 direkt mit den Eingängen D2-D7, um ihn als 2x4-Bit-Schieberegister zu verwenden. Solche Designs sind alltäglich und funktionieren gut in der Praxis. Ein typisches Datenblatt gibt jedoch an, dass ein Gerät eine minimale Laufzeit von 0 ns (was bedeutet, dass sich der Ausgang als Reaktion auf eine Taktflanke sofort ändern kann) und eine minimale Haltezeit von 2 ns (was bedeutet, dass das Geräteverhalten nicht garantiert ist, wenn Der Eingang ändert sich innerhalb von 2 ns nach einer Taktflanke. In der Praxis ist es unwahrscheinlich, dass ein Gerät, bei dem ein Eingang eine Fehlfunktion aufweist, wenn er sich 2ns nach einer Taktflanke ändert, Ausgänge hat, die sich schneller ändern, aber nichts im Datenblatt garantiert dies. Theoretisch könnte man ein korrektes Schaltungsverhalten sicherstellen, indem man jedem Ausgang eine RC-Verzögerungsschaltung hinzufügt, bevor er zum nächsten Eingang zurückkoppelt.

Ich bin mir nicht sicher, ob es einen bestimmten Grund gibt, warum Hersteller im Allgemeinen keine ausreichenden Informationen liefern, um ein korrektes Geräteverhalten zu gewährleisten (z. B. indem angegeben wird, dass die schnellste Laufzeit eines Geräts in einer Charge, gemessen ab dem Zeitpunkt, an dem die Uhr über VIL steigt, überschritten wird) um mindestens __ns länger die Haltezeit des langsamsten Geräts in der Partie, gemessen ab dem Zeitpunkt, an dem die Uhr über VIH steigt), im Allgemeinen jedoch nicht; Es wäre zwar möglich, zusätzliche Schaltungen hinzuzufügen, um ein korrektes Verhalten bei allen Kombinationen von Parametern zu gewährleisten, dies kann jedoch manchmal die Kosten der beteiligten Schaltungen verdoppeln.