Bagaimana cara membuat prototipe?

Bagaimana prototyping dilakukan dalam lingkungan EE profesional? Apakah Anda melakukan prototipe di papan tempat memotong roti, di papan berpakaian tembaga, gaya Manhattan, atau Anda hanya menggambar skema, memesan PCB yang dibuat dan dirakit dan bekerja dengan mereka, meretas di sana-sini jika perlu?

Suatu kali, sekitar 15 tahun yang lalu, saya menyewa EE baru langsung dari kolase. Hari pertamanya di tempat kerja, dia bertanya kepada saya bagaimana kami membuat prototipe (papan tempat memotong roti, kertas penyadap, dll.). Saya mengatakan bahwa kami langsung membuat PCB, dan jika berhasil kami mengirimkannya!

Sementara saya bercanda, ini tidak jauh dari kebenaran. 90% dari produk yang saya rancang (dan saya telah melakukan banyak) dilakukan dengan cara ini. Kami memutuskan apa yang ingin kami buat dan kemudian membuatnya. Seringkali versi pertama dari PCB tidak berfungsi dengan baik, jadi kami memperbaikinya sebaik mungkin dan membangun putaran PCB yang lain. Kemudian ulangi proses ini sampai berhasil.

Proses yang sama juga dilakukan untuk hal-hal non-listrik. Sasis logam atau plastik, dll.

Jarang kita akan merasa seperti PCB murni yang didorong oleh penelitian diperlukan. Di sinilah teknologi yang perlu kita ciptakan sangat sulit dan kita harus mencobanya sebelum mendedikasikan sumber daya untuk membuat produk yang sebenarnya. Dalam hal ini kami akan merancang PCB dengan R & D dalam pikiran, bukan volume produksi. Ini berarti bahwa bagian-bagian pada PCB tersebar sehingga mudah diselidiki, dan kami tidak terlalu peduli dengan biaya pembuatannya.

Di setiap perusahaan saya bekerja untuk ini adalah bagaimana produk telah dikembangkan. Perusahaan-perusahaan ini bukan tempat seperti NASA yang lebih banyak penelitian.

Saya bekerja untuk perusahaan yang sangat kecil, membuat jumlah PCB yang sangat kecil, jadi cara kita membuat prototipe mungkin lebih mirip dengan cara David Kessner melakukannya. Kita biasanya sangat kekurangan waktu dan dana, jadi kita sering benar-benar perlu mencoba memperbaikinya (ish) pertama kali, dan jika tidak, maka kita hanya perlu menambal papan dengan tangan.

Hal yang membuat PCB kita tidak biasa adalah, karena berada di perangkat robot, kita selalu mati-matian didorong untuk ruang, dan ruang itu biasanya merupakan bentuk yang bodoh. Ketika saya mendesain prototipe, pertanyaan yang saya coba jawab adalah: 'Apakah layak untuk komponen ini masuk dalam ruang ini?' Prototipe itu kadang-kadang hanya ada di CAD, tapi saya harus melewati sebagian besar tata letak sebelum saya bisa yakin bahwa desainnya layak. Setelah melakukan sebagian besar pekerjaan desain, saya kemudian akan menyelinap desain itu ke ruang kosong pada menjalankan PCB berikutnya yang kita lakukan.

Sebagai contoh, PCB bulat kecil ini hanya berdiameter 15mm, tetapi memiliki 49 komponen di dalamnya, dan juga membutuhkan ruang untuk kabel untuk menyolder ke bantalan, untuk daya, komunikasi, dan pemrograman. Saya melakukan tata letak untuk melihat apakah itu mungkin. Ya, jadi saya punya satu.

Karena itu, untuk papan yang lebih kompleks, sangat layak untuk meletakkan papan besar, untuk memeriksa dan pelingkupan. Desain ini ditata 100x100mm (besar-besaran!) Dan sangat berharga untuk debugging. Kemudian diletakkan di papan berbentuk lucu yang merupakan mimpi buruk dari kendala fisik, membuatnya sulit untuk menambahkan fitur debugging. Saya sangat senang memiliki prototipe.

Tidak ada "papan" sederhana. Suatu produk, yang sebagian besar merupakan papan sirkuit, berjalan melalui beberapa langkah.

Sebagian besar waktu saya mendesain rangkaian untuk apa yang kami pikir kami ingin produk lakukan, tetapi versi pertama adalah papan tes bangku. Ini bahkan tidak berpura-pura memiliki bentuk mekanis terakhir. Ini adalah papan dengan ruang sebanyak yang diperlukan untuk dapat menyelidik, melakukan pengeditan jika perlu, dll. Ini biasanya papan persegi panjang dengan kaki karet di bagian bawah di sudut-sudutnya. Sirkuit ini dimaksudkan untuk produksi tetapi seringkali dengan beberapa fasilitas debug tambahan. Misalnya, pin prosesor yang tidak digunakan dibawa ke bantalan berlabel bukan hanya berakhir di prosesor. Mungkin ada LED tambahan, atau mungkin port serial bahkan jika unit terakhir tidak memilikinya. Titik uji berlabel yang disengaja ditambahkan untuk berbagai jaring perantara yang mungkin berguna untuk dihubungkan, melihat dengan ruang lingkup, memasukkan sinyal ke dalam, dll. Mungkin ada jumper di beberapa tempat untuk memutuskan bagian-bagian sirkuit. Inti dari board ini adalah untuk memverifikasi sirkuit dan mendapatkan firmware dasar dan berjalan.

Dalam kasus yang tidak biasa ketika saya pikir sirkuit berisiko atau sulit untuk mengetahui apa yang benar-benar diperlukan, saya dapat menguji hanya sepotong kecil di salah satu papan tempat memotong roti plug. Sebagai contoh, beberapa waktu yang lalu saya harus membuat produk menerima dan memproses sinyal USG, tetapi dengan arus yang sangat rendah. Anda dapat membaca semua lembar data yang ada, tetapi untuk hal seperti ini diperlukan eksperimen nyata untuk mengetahui keuntungan yang cukup baik, seberapa kecil bandwidth yang dapat dihilangkan dalam kenyataan, dan apakah beberapa trik ekstra rendah saat ini benar-benar berfungsi sebagai diharapkan. Lembar data transistor umumnya tidak memberi tahu Anda apa karakteristik bagian dengan hanya beberapa μA melalui itu. Terkadang Anda hanya perlu mencoba berbagai hal. Untungnya itu tidak biasa, dan dapat terbatas pada sub-sirkuit tertentu. Ngomong-ngomong, Saya mendapat penguat ujung depan ultrasonik hingga 35 μA pada 3 V saat ini tenang, dan mendapatkan beberapa 1000 pada 40 kHz, semua dengan transistor diskrit. Butuh beberapa percobaan.

Setelah papan tes bangku pertama, pelanggan pasti menginginkan sesuatu yang berbeda dari yang dibayangkan pada awalnya, Anda menemukan hal-hal kecil yang mungkin Anda inginkan berbeda, dll. Versi berikutnya biasanya memperhitungkan kendala mekanis, jadi mungkin papan yang lebih kecil berdesakan lebih kecil. Anda akan mengira itu adalah hal itu, tetapi jarang versi kedua siap dikirimkan. Itu umumnya bukan karena masalah sirkuit, tetapi sebagian besar karena sekarang lebih banyak orang bisa melihatnya, menciumnya, menyentuhnya, merasakannya, dan sebaliknya bercampur dengannya. Orang-orang ini semua memiliki pendapat mereka sendiri tentang perincian produk, dan beberapa hal akan berubah.

Versi ketiga kadang-kadang bisa siap untuk produksi, tetapi biasanya diperlukan satu atau dua putaran lagi sebelum semua orang senang atau menyerah, beberapa bagian tersentuh karena hal dookicky asli yang seharusnya berfungsi dengan menjadi usang dalam dua tahun sejak seseorang memimpikan ide produk, dll. Saya akan mengatakan total 4 atau 5 versi dewan adalah yang paling mungkin, lebih untuk organisasi besar yang bangga dengan proses dan prosedur.

Di masa lalu, ketika perangkat paket kecil adalah 8 pin DIL dan setiap pin berada di 0,1 "pitch maka prototyping plugboard akan didorong dan diservis menjadi layanan, lebih baik dengan beberapa tangan disolder, patung 3D yang menampilkan banyak sekali komponen hanya untuk buktikan konsep.

Saat ini saya cenderung menggunakan papan pengembangan pabrikan untuk sebagian besar perangkat baru yang ingin saya coba. Ini semua cenderung memiliki pin I / O mereka dibawa ke header dan dapat ditransfer ke papan evaluasi lainnya (mikrokontroler, perangkat antarmuka dll). Saya telah membangun sebagian besar produk baru hanya dengan bergabung bersama papan ini.

Cara favorit saya membuat prototipe setiap kali saya ingin memeriksa beberapa detail kecil sebelum mempercayai konsep atau simulasi dan meletakkan blok kecil ke PCB multi-layer yang mahal dengan apa pun di antara 100 ... 1000 komponen lainnya:

Breadboarding. Dengan papan berlapis tembaga.

Rangkaian kira-kira mirip dengan ara. 6 di LT-AN-104

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

Ini adalah pemeriksaan cepat untuk desain pengatur tegangan yang saya butuhkan di tempat kerja dan ingin mencoba sebelum memiliki PCB besar selesai. Ini terlihat berantakan, dan ini persis keuntungan besar: 30 menit di laboratorium rumah Anda akan menghemat berhari-hari merancang kembali proyek Anda karena Anda melewatkan satu gotcha kecil (dan jelas?)

... Hanya tiga contoh kecil, tetapi Anda mendapatkan idenya. Ini cepat dan (kadang-kadang sangat) kotor, tetapi Anda dapat membuat singkat apa pun yang perlu disimpan pendek dan mencapai hasil yang baik dengan sangat cepat. Tutorial yang sangat bagus dapat ditemukan di hal. 28-31 dalam Jim Williams 'App Note 47 di situs web LTC .

Tentu saja, ini tidak akan bekerja untuk BGA dan sejenisnya, tetapi setiap kali saya perlu hack kecil, ini adalah cara favorit saya untuk pergi.

Perspektif daya elektronik di sini.

PCB yang saya gunakan adalah campuran komponen penghasil derau berdaya tinggi, dan komponen sensitif derau berdaya rendah. Sungguh, yang terbaik dari kedua dunia.

Saya cenderung mengikuti dua jalur:

1. Jika proyek ini didasarkan pada beberapa pekerjaan yang lebih tua, ambil pekerjaan yang lebih tua dan tambahkan / ubah hal-hal yang diperlukan (kabel dalam PCB, gantung bagian di udara, apa pun.)

2. Jika proyek benar-benar baru, dan tidak ada cara untuk memanfaatkan apa pun yang lama, maka rancang papan baru dari awal.

Secara umum, jika Anda bisa menggunakan unit yang sudah ada sebagai titik awal, dan Anda sudah memiliki perangkat keras di lab (dan dan selama perubahan yang perlu Anda lakukan jangan berakhir lebih lama untuk diimplementasikan daripada yang seharusnya. membangun unit baru) ini adalah waktu dan penghemat uang yang luar biasa untuk menggunakan ini sebagai prototipe / papan tempat memotong roti. Butuh beberapa putaran hanya untuk mendapatkan PCB yang "benar" dan ini memakan waktu debugging prototipe Anda. Kadang-kadang kita akan melakukan pembangunan baru menggunakan PCB desain lama dan hanya mengganti bagian-bagian yang diperlukan. Ini menghilangkan risiko yang melekat dengan tata letak PCB baru.

Setiap kali kita perlu mendesain PCB baru, kami mencoba mencapai kecocokan / bentuk / fungsi sedekat mungkin dengan persyaratan akhir - bahkan untuk putaran pertama. Untuk berjaga-jaga kalau-kalau semuanya bekerja dengan sempurna (ha!). Putaran PCB membutuhkan waktu dan sumber daya, jadi kami meneliti setiap papan dengan cermat sehingga mereka memiliki peluang terbaik untuk 'bekerja' (atau 'bekerja lebih baik daripada sebelumnya') setiap kali kami melakukan putaran. Perbaikan terus menerus, bisa dikatakan.

Jika saya merasa perlu (atau menguntungkan jadwal) untuk memiliki prototipe parsial sebelum versi PCB pertama, saya cenderung membuatnya dengan menggabungkan papan evaluasi untuk teknologi yang terlibat, atau stand-in untuk mereka. Misalnya, papan mikrokontroler mungkin mendapatkan antarmuka SPI kabel yang menghubungkannya ke papan FPGA, atau mungkin kabel wiring dibuat untuk menggedor beberapa modul dari port paralel PC (sering menggunakan apa yang sedang dalam perjalanan untuk menjadi firmware perangkat, hanya dengan pembungkus I / O tingkat rendah yang berbeda).

Setelah Anda memiliki lini produk yang dimulai, PCB dari versi produk yang ada (atau bahkan produk dari lini yang berbeda yang menggunakan beberapa teknologi yang sama) sering dapat digunakan sebagai platform prototyping. Itu bisa berarti apa saja dari hanya mencoba firmware baru, untuk menggunakannya dengan papan eval, atau membuat adaptor kecil untuk mengganti satu chip, atau bahkan hanya menggunakan PCB dengan semua kecuali satu komponen dilepas, sebagai papan breakout untuk chip itu.

Sementara jika dikejar jauh dapat dengan mudah menjadi gangguan, kadang-kadang dapat digunakan untuk kemampuan in-house untuk membuat papan PC sederhana pada urutan pembawa untuk IC tertentu atau sirkuit kecil untuk menambah fungsionalitas tambahan (atau memperbaiki pengawasan) . Saya telah bekerja di tempat yang melakukan ini dengan sumber daya penggilingan / laser yang diperlukan untuk papan RF tujuan khusus, yang kadang-kadang kita manfaatkan untuk modul logika kecil. Untuk proyek pribadi, papan SMT satu sisi transfer-toner kecil dapat diproduksi dalam satu jam dan dirakit dalam hitungan detik - ini bukan kualitas rumah PCB putaran cepat, tetapi putaran cepat bukan berarti operasi sirkuit pada hari yang sama. Terkadang saya akan mengirim file ke rumah dewan dan kemudian membuat versi saya sendiri untuk menjaga proyek tetap berjalan.

Biasanya, pabrik-pabrik Cina yang bekerja dengan kami membuat prototipe untuk kami, kemudian kami akan membuat modifikasi untuk memperbaiki masalah, menambahkan fitur, dll. Kemudian mereka membuat prototipe lain dengan perubahan kami, kami menguji revisi itu, menemukan bahwa mereka melewatkan sesuatu, atau peningkatan kami menyebabkan masalah lain, dll. dan ulangi siklus modifikasi hingga cukup berhasil untuk dijual. (Perhatikan bahwa saya tidak mengatakan "bekerja dengan sempurna" ...) Kadang-kadang perubahan yang kami buat melibatkan papan tempat memotong roti, tetapi biasanya mereka hanya komponen yang tergantung di ruang yang disolder satu sama lain hanya cukup kuat untuk membuktikan bahwa itu berfungsi.

Saya hanya dapat memikirkan beberapa kali ketika saya benar-benar membangun sebagian besar prototipe pada papan tempat memotong roti tanpa solder terlebih dahulu, dan bahkan kemudian, beberapa hal yang dipasang ke papan tempat memotong roti adalah papan sirkuit kecil mereka sendiri, baik papan eval yang dibuat oleh produsen chip atau papan lain yang tergeletak di sekitar yang bisa saya potong, karena chip tidak mungkin digunakan dengan papan tempat memotong roti sendiri.