Apakah desain sirkuit berdasarkan nilai min / maks merupakan praktik yang baik?

Berkali-kali saya berdebat dengan seorang rekan saya tentang pertanyaan di atas. Ketika saya mendesain sirkuit untuk produksi massal (> 10k / a) saya ingin membuatnya kuat terhadap setiap kemungkinan variasi parameter komponen yang saya ketahui. Ini berarti misalnya:

• Parameter BJT seperti VBE, gain saat ini dll. Vs. bias dan suhu
• Toleransi, ketergantungan suhu, penuaan dan pergeseran solder pasif
• Seumur hidup komponen

Selain itu, saya menganggap setiap pelanggaran peringkat maksimum absolut dalam kondisi operasi normal tidak dapat diterima.

Ketika saya mengerti kolega saya, dia hanya menganggapnya sebagai urusan yang tidak berguna untuk peduli pada parasit dan sejenisnya. Letakkan semuanya dan coba jika berhasil, itu saja. Masukkan beberapa potongan ke dalam ruang panas, usapkan usia dan jika masih berfungsi setelah Anda selesai. Dia memiliki lebih banyak pengalaman dalam merancang elektronik komersial daripada saya, tetapi saya benar-benar tidak menyukai pendekatan seperti itu. Saya yakin bahwa sebagai seorang insinyur saya harus memikirkan bagian sirkuit apa pun sebelum saya membangunnya untuk pertama kali.

Apakah pendekatan saya hanya perfeksionisme sakit atau sudahkah itu masuk akal? Saya telah menemukan bahwa banyak perancang elektronik tidak peduli dengan desain yang kuat ...

Rekayasa tidak hanya tentang menciptakan desain yang kuat, tetapi juga tentang menciptakan desain yang memenuhi beberapa spesifikasi. Biasanya desainer muda tidak sepenuhnya memahami bahwa faktor ekonomi adalah bagian dari spesifikasi . Masalahnya adalah bahwa kadang-kadang faktor-faktor ekonomi tersebut tidak dirinci dengan baik (yang sering merupakan kesalahan manajemen), tetapi seorang desainer yang baik agaknya diharapkan untuk mempertimbangkan juga aspek-aspek non-teknis dalam desainnya, seperti:

• Biaya terkait BOM: siapa yang peduli jika 1% unit gagal di lapangan jika lebih ekonomis mengirimkan yang baru ke pelanggan alih-alih menjadikan semuanya lebih dapat diandalkan!

• Waktu ke pasar: siapa yang peduli jika unit lebih andal jika pesaing kami mengirimkan barang mereka satu bulan sebelumnya!

• Usang yang direncanakan: (sedih, dan tidak ramah lingkungan, tetapi biasanya seperti ini): mengapa kita ingin mengirim unit yang dapat bertahan selama 20 tahun jika kita memasarkannya agar dapat bekerja untuk 5 (dan kita membuat harga yang lebih rendah titik untuk itu)?!?

• dll.

Semua ini tergantung pada bidang yang ditargetkan untuk desain yang Anda buat. Jika Anda membidik pasar di mana kegagalan tunggal dapat menyebabkan kematian (katakanlah defibrillator baru), Anda akan menerapkan lebih banyak margin keselamatan untuk desain Anda (dan Anda akan dipaksa untuk melakukan itu, dalam beberapa kasus, dengan standar keselamatan wajib).

Spesifikasi yang lebih ketat baik jika, misalnya, Anda merancang papan misi-kritis untuk penyelidikan ruang angkasa untuk misi ~ 1G $ ke Pluto. Dalam hal ini Anda benar-benar ingin melihat yang tak terduga dan menguji segala hal kecil yang salah. Tapi ini diimbangi, secara ekonomi, dengan risiko digugat (atau dipecat) oleh NASA karena kode MCU Anda yang jelek membuat semua misi jadi kacau!

Singkatnya, desainer sukses yang berpengalaman tahu bagaimana mengelola semua faktor ekonomi ini. Tentu saja beberapa dari mereka benar-benar pintar dan benar-benar memahami semua keseimbangan halus yang diperlukan untuk membawa sebuah proyek menuju kesuksesan (baik itu Apple iMostUselessMuchHypedphone Apple baru atau instrumen terbaik untuk mendeteksi bakteri pada sebuah komet). Beberapa yang lain, luar biasa tetapi benar, hanya beruntung dan menemukan ceruk yang tepat di mana "Apakah prototipe berfungsi setelah sedikit dianiaya? Oke! Ayo kirimkan!" mantra bekerja dengan baik!

BTW, seorang desainer yang baik harus selalu waspada terhadap persyaratan yang diberikan kepadanya. Terkadang orang yang memberi Anda spesifikasi tidak benar-benar tahu apa yang mereka inginkan atau butuhkan. Bahkan komunikasi antara perancang dan klien (atau manajemen) bisa menyesatkan. Misalnya, jika klien meminta stasiun barometrik yang dapat dikendalikan dari jarak jauh yang dapat bekerja dengan baik selama musim dingin, tidak masalah jika ia berasal dari Alaska atau dari Arab Saudi! Seorang desainer yang baik harus mengerjakan spesifikasi dengan klien, jika ia berada dalam posisi untuk melakukannya, dan seorang desainer yang sukses biasanya dapat mengajukan pertanyaan yang tepat untuk menentukan spesifikasi sebenarnya dari desain untuk membuat klien bahagia.

Saya dapat memahami bahwa bagi beberapa insinyur, sangat penting untuk mengerjakan semua detail, terutama untuk beberapa individu yang bersemangat yang sangat suka menciptakan hal - hal yang bekerja dengan baik. Ini bukan kesalahan itu sendiri, tetapi penting untuk memahami bahwa kemampuan untuk membuat pertukaran adalah bagian dari rekayasa. Dengan pengalaman, kemampuan ini akan meningkat, terutama jika Anda bekerja sama dengan desainer senior yang baik.

Anda juga dapat menemukan bahwa Anda bekerja untuk majikan dengan standar yang terlalu rendah untuk selera Anda dan ini dapat mendorong Anda untuk mencari pekerjaan lain. Tetapi ini harus dilakukan setelah Anda mendapatkan sedikit pengalaman lebih banyak dan mempelajari beberapa trik perdagangan dan membuat Anda lebih "membangkitkan selera" untuk majikan yang lebih baik.

Aku bersamamu 100%. Yang mengatakan, ada hal-hal (misalnya hFE) di mana Anda harus percaya bahwa hal-hal tidak menjadi terlalu miring antara (katakanlah) dua poin dijamin dan bahwa tidak ada dalam fisika dan kurva khas yang akan menyarankan segala jenis perilaku aneh.

Jika Anda menggunakan pendekatan potong-dan-coba, yang sebenarnya bisa menjadi cara praktis untuk menangani parasit yang kompleks katakan, setidaknya cari tahu seberapa jauh Anda dari bencana dengan menguji batas atau batas fasa dll. Itu juga bekerja, dan itu baik.

Masalah dengan pendekatan angkuh adalah bahwa jika Anda tidak tahu tentang sesuatu seperti penuaan optocoupler atau jenis drift tertentu atau efek jangka panjang lainnya dan Anda mulai mendapatkan 10% kegagalan lapangan setelah satu atau dua tahun. Atau Anda berakhir dengan 5% atau 10% fallout karena beberapa komponen lebih tipikal daripada yang lain, dan 5-10% non-fallout gagal kemudian di lapangan dalam kondisi sulit untuk mereproduksi.

Saya belum dibakar oleh risiko yang telah saya ambil dengan kedua mata terbuka, dievaluasi, diuji dan ditinjau, bahkan jika bagian itu di luar kondisi operasi yang disarankan atau penggunaan yang dimaksudkan. Itu selalu sesuatu yang tidak dipertimbangkan dan keluar dari bidang kiri. Memikirkan semua hal yang mungkin salah adalah bagaimana Anda dapat meminimalkan masalah itu. Bahkan jika itu bukan 'salahmu'. Beberapa dari mereka adalah hal-hal tingkat sistem yang tidak ada hubungannya langsung dengan desain. Misalnya, catu daya yang dihidupkan dan dimatikan 5x dalam 2 detik seharusnya tidak gagal, tetapi itu mungkin tidak ada dalam spesifikasi sehingga mungkin tidak dirancang untuk atau diuji.

Melanggar peringkat maksimum absolut hampir selalu merupakan ide yang sangat buruk, bahkan di sudut-sudut yang jauh dari ruang desain (suhu sekitar maksimum, beban maksimum, tegangan input maksimum, ventilasi minimum, dll.). Mungkin ada beberapa kasus aneh di mana itu dapat dibenarkan. Beberapa produk hanya perlu berfungsi sekali, misalnya.

Untuk pendekatan sebaliknya, lihat Muntzing . Penjualan kapasitor Bypass pasti akan anjlok jika itu diterima praktik.

Saya akan melakukan analisis rangkaian kasus terburuk di mana nilai-nilai komponen mungkin memiliki efek signifikan pada kinerja rangkaian; misalnya gain dari op-amp di mana keuntungan itu penting untuk rangkaian selanjutnya yang terhubung ke output dari op-amp. Dan saya akan melakukan analisis yang sama untuk catu daya switching sehingga saya dapat mengharapkan tegangan berada dalam batas yang diharapkan. (Menjadi terutama perancang digital, op-amp, dan catu daya adalah tentang batas keahlian analog saya.) LTSpice dapat digunakan untuk melakukan analisis tersebut. Tapi saya tidak peduli tentang toleransi resistor pull-up misalnya; tidak dapat diharapkan cukup bervariasi untuk membuat perbedaan.

Meskipun tidak disebutkan dalam pertanyaan, jenis analisis ini terkadang penting untuk dilakukan untuk desain digital juga. Lembar data untuk kebanyakan IC digital mencakup waktu minimum dan maksimum untuk berbagai parameter seperti pengaturan dan waktu penahanan. Ketika menggabungkan berbagai IC bersama-sama, terkadang variasi waktu pada chip lain, termasuk penundaan propagasi akan menyebabkan masalah dalam memenuhi persyaratan waktu ini. Secara khusus, saya telah mengalami masalah seperti ini ketika berinteraksi dengan ingatan.

Sebagai subjek keusangan terencana, ini kadang-kadang diperlukan karena alasan ekonomi. Misalnya, baterai Li-Poly mungkin hanya memiliki umur tiga atau empat tahun. Apakah Anda menyediakan cara bagi pelanggan untuk mengganti baterai? Atau apakah Anda menyimpannya di dalam case tertutup, seperti Apple dengan iPhone-nya, di mana baterai hanya dapat diganti di salah satu toko mereka (kecuali pelanggan telah membeli alat rahasia dan mengikuti video di YouTube).

Contoh lain adalah modem seluler. Beberapa tahun yang lalu, ketika mengerjakan proyek yang menggunakan modem seluler hanya untuk transmisi data, keputusan dibuat untuk menggunakan modem 2G alih-alih 3G, meskipun kami tahu 2G akan dihapus. Alasannya adalah biaya modem 2G setengah dari harga 3G. Kami menemukan operator yang menjanjikan bahwa 2G akan tersedia dari mereka selama masa pakai perangkat yang diharapkan.

Saya pikir strategi yang terbaik untuk diikuti tergantung pada jenis produk yang Anda desain. Jika itu sesuatu yang sederhana dan tidak kritis, hanya implementasi dari rangkaian pada lembar data IC. Maka mungkin pendekatan kolega Anda cukup baik. IC dan komponen lainnya dijamin untuk mengerjakan apa yang ditentukan. Tidak perlu cek ekstra.

Tetapi jika (misalnya) Anda merancang referensi tegangan yang sangat akurat tanpa menggunakan IC untuk itu maka semua hal yang Anda sebutkan menjadi lebih penting karena variasi akan mempengaruhi kinerja.

Tetapi jika Anda mendesain dengan cara "pintar" maka Anda dapat mengimbangi banyak hal. Sebagai contoh VBE dari BJT, dalam desain IC kami menggunakan mirror saat ini di mana-mana, karena dalam dan output transistor dibuat pada langkah fabrikasi yang sama, mereka hampir identik dan perbedaan dalam VBE tidak terlalu menjadi masalah. Dalam desain diskrit (off-chip), Anda dapat menggunakan opamp untuk membuat cermin arus yang akurat. Cukup gunakan resistor akurat dan opamp offset rendah misalnya. Cermin saat ini dapat dibuat lebih akurat dengan menggunakan resistor emitor misalnya atau implementasi rangkaian kompensasi arus-dasar.

Dengan pengalaman Anda bisa mengenali bagian-bagian penting dari yang kurang kritis. Tetapi jika Anda tidak tahu (tidak punya pengalaman) maka menyelidiki sensitivitas terhadap variasi sekarang akan memberi Anda ide.

Saya pikir triknya adalah menjaga sikap praktis dan memasukkan variasi ke dalam perspektif: apa yang penting, apa yang tidak? Di mana saya perlu penyelidikan penuh, dan di mana itu tidak diperlukan.

Itu tergantung pada seberapa kuat Anda membutuhkan desain.

Rekayasa adalah semua tentang pengorbanan. Jika Anda ingin desainnya menjadi kuat secara maksimal, maka pendekatan Anda benar.

Saya akan melangkah lebih jauh dan menerapkan faktor fudge di luar nilai minimum lembar data / maks, kecuali jika Anda tahu banyak tentang bagaimana produsen sampai pada nilai-nilai itu.

Tetapi melakukan itu memiliki biaya - dalam uang, dalam upaya yang dapat dicurahkan untuk hal-hal lain, pada waktunya untuk pasar. Tidak semua desain harus sekuat itu.

Jika Anda merancang bom atom (dan Anda ingin benar-benar yakin itu tidak meledak secara tidak sengaja), atau defibrillator jantung, atau penyelidikan ruang angkasa, biaya-biaya itu mungkin layak dikenakan.

Jika Anda mendesain mainan tamagouchi yang akan dijual seharga $ 5, mungkin tidak.

Pada tingkat tertentu, kolega Anda benar - untuk banyak tujuan, desain konservatif yang bertujuan pada kisaran menengah parameter akan bekerja dengan baik 99,99% dari waktu tanpa perlu analisis dan pengujian yang luas.

Jika kegagalan pada 0,01% kasus dapat diterima, maka itu tidak masalah. Sangat.

Anda perlu mengevaluasi tradeoff antara biaya optimasi desain dan apa yang Anda dapatkan sebagai imbalannya.

Semua jawaban yang Anda terima sangat baik. Namun, ada satu aspek lain yang menurut saya belum diatasi. Reputasi Anda dan perusahaan Anda . Dalam kasus saya, saya lebih suka "berbuat salah" di sisi "kekokohan." Alasannya adalah bahwa saya akan mendapatkan reputasi untuk mendesain sirkuit yang bekerja andal dalam berbagai kondisi, dan perusahaan saya akan mendapatkan reputasi untuk menyediakan produk yang andal. Semua (sebagian besar) pertimbangan lain, saya akan menyerahkannya kepada manajer / penyelia saya.
Jika desain saya terlalu mahal, atau akan mengambil terlalu banyak waktu untuk membangun dan menguji, saya akan membiarkan manajer saya "mendorong" saya dan memberitahu saya untuk memodifikasi desain sehingga biayanya lebih murah atau dilakukan lebih cepat, dll. Jadi, ya menggunakan nilai min / max adalah praktik yang baik .

Merancang perangkat yang akan berfungsi jika komponen memiliki kombinasi perilaku yang diizinkan oleh lembar data mereka adalah praktik yang baik saat itu praktis. Sayangnya, banyak lembar data gagal menentukan perilaku perangkat dengan detail yang cukup untuk membuatnya bisa bekerja.

Sebagai contoh sederhana, anggaplah seseorang mengambil 74HC374 dan kabel output Q0-Q5 langsung ke input D2-D7, untuk keperluan menggunakannya sebagai register geser 2x4-bit. Desain seperti itu biasa dan bekerja dengan baik dalam praktiknya. Lembar data tipikal, bagaimanapun, akan menentukan bahwa suatu perangkat memiliki waktu propagasi minimum 0ns (berarti output dapat berubah secara instan sebagai tanggapan terhadap tepi jam), dan waktu penahanan minimum 2ns (yang berarti bahwa perilaku perangkat tidak dijamin jika input berubah dalam 2ns dari tepi jam). Dalam praktiknya, perangkat yang inputnya dapat mengalami kegagalan fungsi jika berubah 2ns setelah batas waktu tidak mungkin memiliki output yang berubah lebih cepat dari itu, tetapi tidak ada dalam datasheet yang menjamin hal itu. Secara teori seseorang dapat memastikan perilaku sirkuit yang benar dengan menambahkan sirkuit penundaan RC pada setiap output sebelum diumpankan kembali ke input berikutnya,

Saya tidak yakin apakah ada alasan tertentu bahwa produsen umumnya gagal memberikan informasi yang cukup untuk menjamin perilaku perangkat yang benar (misalnya dengan menetapkan bahwa waktu propagasi tercepat dari perangkat apa pun dalam satu lot, diukur dari kapan jam naik di atas VIL, akan melebihi dengan setidaknya __ns lebih lama waktu penahanan perangkat paling lambat dalam lot, diukur dari saat jam naik di atas VIH), tetapi umumnya tidak; sementara dimungkinkan untuk menambahkan sirkuit tambahan untuk memastikan perilaku yang benar di bawah semua kombinasi parameter, melakukan hal itu kadang-kadang dapat menggandakan biaya sirkuit yang terlibat.