Является ли дизайн схемы основанным на минимальных / максимальных значениях хорошей практикой?

Снова и снова я спорю с моим коллегой по вышеуказанному вопросу. Когда я проектирую схему для массового производства (> 10k / a), я хочу сделать ее устойчивой к любым возможным изменениям параметров компонентов, о которых я знаю. Это означает, например:

• Параметры BJT, такие как VBE, усиление тока и т. Д. В зависимости от смещения и температуры
• Допуски, температурные зависимости, старение и паяльное снос пассивов
• Срок службы компонентов

Кроме того, я считаю недопустимым любое нарушение абсолютных максимальных значений в нормальных условиях эксплуатации.

Как я понимаю моего коллегу, он просто считает бесполезным делом заботиться о паразитах и ​​тому подобное. Просто сложите все вместе и попробуйте, если это работает, вот и все. Поместите некоторые части в термокамеру, состарите их, и если они все еще работают после этого, все готово. У него больше опыта в разработке коммерческой электроники, чем у меня, но мне действительно не нравится такой подход. Я убежден, что, как инженер, я должен был подумать о любой части схемы, прежде чем впервые ее построить.

Мой подход просто больной перфекционизм или в нем есть что-то разумное? Я уже обнаружил, что многие электронные дизайнеры не заботятся о надежном дизайне ...

Инженерия - это не только создание надежных конструкций, но и создание дизайна, соответствующего некоторым спецификациям. Обычно молодые дизайнеры не до конца понимают, что экономические факторы являются частью спецификации . Проблема заключается в том, что иногда эти экономические факторы недостаточно точно определены (это часто является ошибкой руководства), но от хорошего дизайнера, как ожидается, придется учитывать и не строго технические аспекты, такие как:

• Затраты, связанные с спецификацией: кого волнует, если 1% блоков выйдет из строя в полевых условиях, если будет экономичнее отправить новый заказчику, а не сделать все из них более надежными!

• Время выхода на рынок: кого волнует, будут ли устройства более надежными, если наши конкуренты отправят свои вещи за месяц вперед!

• Запланированное устаревание: (грустно, и не экологически чистое, но обычно это так): почему мы должны хотеть отправлять юниты, которые могут работать в течение 20 лет, если мы поставляем их на рынок, чтобы иметь возможность работать за 5 (и мы сделали более низкую цену очко за это)?!?

• и т.п.

Все это, конечно, зависит от области, на которую ориентирован создаваемый вами дизайн. Если вы стремитесь к рынку, где один сбой может стоить жизни (скажем, новый дефибриллятор), вы будете применять больше границ безопасности к своему дизайну (и вы будете вынуждены делать это, в некоторых случаях, по обязательным стандартам безопасности).

Более строгие спецификации хороши, если, например, вы разрабатываете критически важную доску для космического зонда для миссии ~ 1G $ в Плутоне. В этом случае вы действительно хотели бы предвидеть непредвиденное и проверить любую проклятую мелочь, которая может пойти не так. Но это экономически уравновешивается риском того, что НАСА подаст в суд (или будет уволен), потому что ваш дрянной код MCU заставил всю миссию пойти наперекосяк!

Напомним, что опытные успешные дизайнеры знают, как управлять всеми этими экономическими факторами. Конечно, некоторые из них действительно умны и действительно понимают все тонкие балансировки, необходимые для успеха проекта (будь то новый Apple iMostUselessMuchHypedphone или лучшие инструменты для обнаружения бактерий на комете). Некоторым другим, невероятным, но правдивым, просто повезло, и они нашли подходящую нишу, где «Работает ли прототип после того, как с ним плохо обращаются? Хорошо! Давайте отправим его!» мантра работает хорошо!

Кстати, хороший дизайнер всегда должен быть осторожен с требованиями, которые ему предъявляют. Иногда люди, дающие вам спецификации, на самом деле не знают, что они хотят или нуждаются. Даже общение между дизайнером и клиентом (или администрацией) может вводить в заблуждение. Например, если клиент запрашивает дистанционно управляемую барометрическую станцию, которая может хорошо работать в зимний период, имеет значение, если он с Аляски или из Саудовской Аравии! Хороший дизайнер должен разработать спецификации с клиентом, если он в состоянии это сделать, и успешный дизайнер обычно может задать правильные вопросы, чтобы закрепить реальные характеристики дизайна, чтобы сделать клиента счастливым.

Я могу понять, что для некоторых инженеров необходимо проработать все детали, особенно для некоторых увлеченных людей, которые действительно любят создавать вещи, которые работают хорошо. Само по себе это не ошибка, но важно понимать, что способность делать компромиссы является частью инженерной мысли. С опытом эта способность улучшится, особенно если вы работаете вместе с хорошими старшими дизайнерами.

Вы также можете обнаружить, что вы работаете на работодателя со слишком низкими стандартами на ваш вкус, и это может подтолкнуть вас к поиску другой работы. Но это должно быть сделано после того, как вы получите немного больше опыта и узнаете некоторые приемы торговли и сделаете вас более «аппетитными» для лучшего работодателя.

Я с тобой на 100%. Тем не менее, есть вещи (например, hFE), в которых вы должны верить, что между (скажем) двумя гарантированными точками дела идут не так уж и плохо, и что ничто в физике и типичных кривых не предполагает какого-либо странного поведения.

Если вы используете метод проб и попыток, который, на самом деле, может быть практическим способом борьбы со сложными паразитами, скажем, по крайней мере, выясните, насколько далеко вы можете оказаться от катастрофы, проверяя пределы или фазовый запас и т. Д. Это также работает, и это Хорошо.

Проблема с кавалерийским подходом состоит в том, что если вы не знаете о чем-то вроде старения оптопары или определенных видах дрейфа или других более долгосрочных эффектов, и вы начинаете получать 10% сбоев поля через год или два. Или вы получаете 5% или 10% выпадений, потому что некоторые компоненты более типичны, чем другие, и 5-10% не выпадающих после сбоя в полевых условиях в трудных для воспроизведения условиях.

Я еще не сгорел из-за риска, с которым я столкнулся, когда оба глаза открыты, оценены, проверены и проверены, даже если деталь находилась за пределами рекомендуемых условий эксплуатации или предполагаемого использования. Это всегда что-то, что не рассматривалось и вышло из левого поля. Думая обо всех вещах, которые могут пойти не так, вы сможете минимизировать эти проблемы Даже если они не «твоя вина». Некоторые из них - вещи системного уровня, которые не имеют ничего общего с дизайном. Например, источник питания, который включается и выключается 5 раз за 2 секунды, не должен выходить из строя, но этого может не быть в спецификациях, поэтому он может быть не предназначен или не проверен.

Нарушая абсолютные максимальные значения почти всегда очень плохая идея, даже в самых дальних уголках пространства дизайна (максимальная температура окружающей среды, максимальная нагрузка, максимальное входное напряжение, минимум вентиляции и т.д.). Там может быть несколько странных случаев, где это может быть оправдано. Например, некоторые продукты должны функционировать только один раз.

Для противоположного подхода, см. Muntzing . Продажи обходных конденсаторов, безусловно, резко упадут, если это будет принято на практике.

Я сделаю анализ схем в худшем случае, когда значения компонентов могут оказать существенное влияние на производительность схемы; например, коэффициент усиления операционного усилителя, где этот коэффициент важен для следующей цепи, подключенной к выходу операционного усилителя. И я проведу такой же анализ для импульсного источника питания, чтобы рассчитывать на то, что напряжение будет в ожидаемых пределах. (Будучи в первую очередь цифровым дизайнером, операционные усилители и блоки питания являются пределом моей аналоговой компетенции.) LTSpice можно использовать для проведения такого анализа. Но меня не волнует допуск резистора, например, повышающего напряжения; нельзя ожидать, что он будет меняться настолько, чтобы что-то изменить.

Несмотря на то, что этот вопрос не упоминается, этот тип анализа иногда важен и для цифровых проектов. Таблицы для большинства цифровых ИС содержат минимальное и максимальное время для различных параметров, таких как время установки и время удержания. При объединении различных интегральных схем иногда изменения синхронизации в других микросхемах, включая задержки распространения, вызовут проблемы при выполнении этих требований синхронизации. В частности, я сталкивался с такими проблемами, когда общался с воспоминаниями.

В отношении планового устаревания это иногда необходимо по экономическим причинам. Например, срок службы литий-полимерной батареи может составлять всего три или четыре года. Предоставляете ли вы клиенту возможность заменить батарею? Или вы храните его в закрытом корпусе, как Apple делает со своими iPhone, где батарею можно заменить только в одном из их магазинов (если клиент не приобрел секретный инструмент и не просматривает видео на YouTube).

Другой пример - сотовый модем. Пару лет назад, когда работали над проектом, использующим сотовый модем только для передачи данных, было принято решение перейти на модем 2G вместо 3G, хотя мы знали, что 2G будет прекращено. Причина была в том, что модем 2G стоил вдвое дешевле 3G. Мы нашли оператора, который пообещал, что 2G будет доступен у них в течение ожидаемого срока службы устройства.

Я думаю, что стратегия, которой лучше следовать, зависит от типа продукта, который вы разрабатываете. Если это что-то простое и некритическое, просто реализация схемы в спецификации IC. Тогда, вероятно, подход вашего коллеги достаточно хорош. IC и другие компоненты гарантированно работают над тем, что указано. Не так много нужно для дополнительной проверки.

Но если (например) вы разрабатываете очень точный эталон напряжения, не используя для этого интегральную схему, тогда все, что вы упомянули, становится более важным, так как изменения будут влиять на производительность.

Но если вы разрабатываете «умный» способ, вы можете компенсировать многие вещи. Например, VBE BJT, в конструкции IC мы используем токовое зеркало повсюду, поскольку входной и выходной транзисторы выполнены на одном этапе изготовления, они практически идентичны, а различия в VBE не имеют большого значения. В дискретном (вне чипа) дизайне вы можете использовать операционный усилитель для создания точного текущего зеркала. Например, используйте точные резисторы и операционный усилитель с низким смещением. Токовое зеркало может быть сделано более точным с помощью, например, эмиттерных резисторов или реализации схемы компенсации тока базы.

С опытом вы можете распознать критические части из менее важных. Но если вы не знаете (нет опыта), то изучение чувствительности к изменениям сейчас даст вам представление.

Я думаю, что хитрость заключается в том, чтобы сохранить практический подход и представить варианты в перспективе: что важно, а что нет? Где мне нужно полное расследование, а где это не нужно.

Это зависит от того, насколько надежным должен быть дизайн.

Инженерия это все о компромиссах. Если вы хотите, чтобы дизайн был максимально надежным, то ваш подход правильный.

Я бы пошел еще дальше и применил коэффициент выдумки за пределы минимальных / максимальных значений таблицы, если вы не знаете много о том, как производитель пришел к этим значениям.

Но выполнение этого требует затрат - денег, усилий, которые можно было бы посвятить другим вещам, и времени на рынок. Не каждый дизайн должен быть таким надежным.

Если вы разрабатываете атомную бомбу (и хотите быть уверенным, что она не сработает случайно), или дефибриллятор сердца, или космический зонд, эти затраты, вероятно, стоит нести.

Если вы разрабатываете игрушку тамагучи, которая будет продаваться за 5 долларов, вероятно, нет.

В какой-то степени ваш коллега прав: во многих целях консервативный дизайн, нацеленный на средний диапазон параметров, будет хорошо работать в 99,99% случаев без необходимости тщательного анализа и тестирования.

Если сбой в 0,01% случаев является приемлемым, то это нормально. В самом деле.

Вам необходимо оценить компромисс между стоимостью оптимизации дизайна и тем, что вы получаете за это.

Все ответы, которые вы получили, очень хороши. Однако есть еще один аспект, который, по моему мнению, не был рассмотрен. Ваша репутация и репутация вашей компании . В моем случае я бы предпочел «ошибаться» на стороне «робастности». Причина в том, что я бы приобрел репутацию за разработку схем, которые надежно работают в различных условиях, и моя компания получила бы репутацию за предоставление надежных продуктов. Все (большинство) других соображений я бы оставил их своему менеджеру / руководителю.
Если мой дизайн слишком дорогой, или на его сборку и тестирование уйдет слишком много времени, я бы позволил своему руководителю «оттолкнуть» меня и сказать, чтобы я изменил дизайн так, чтобы он стоил дешевле или выполнялся раньше, и т. Д. Так что да, использование минимальных / максимальных значений является хорошей практикой .

Проектирование устройства, которое будет работать, если компоненты имеют какую-либо комбинацию поведения, разрешенную их таблицей данных, является хорошей практикой, когда это целесообразно. К сожалению, во многих таблицах не описывается поведение устройства с достаточной детализацией, чтобы это работало.

В качестве простого примера, давайте возьмем 74HC374 и подключим выходы Q0-Q5 непосредственно к входам D2-D7, чтобы использовать его в качестве сдвигового регистра 2x4. Такие конструкции являются обычным явлением и прекрасно работают на практике. Однако в типовой таблице данных будет указано, что минимальное время распространения устройства равно 0 нс (это означает, что выходной сигнал может мгновенно измениться в ответ на ограничение тактового сигнала), а минимальное время удержания равно 2 нс (что означает, что поведение устройства не гарантируется, если вход изменяется в течение 2 нс от фронта тактовой частоты). На практике устройство, для которого любой вход может работать со сбоями, если оно изменяется на 2 нс после фронта тактового сигнала, вряд ли будет иметь выходы, которые изменяются быстрее, чем это, но ничто в таблице данных не гарантирует этого. Теоретически можно обеспечить правильное поведение схемы, добавив RC-цепь задержки на каждый выход, прежде чем он вернется к следующему входу,

Я не уверен, есть ли какая-либо конкретная причина, по которой производители обычно не предоставляют информацию, достаточную для гарантии правильного поведения устройства (например, путем указания того, что самое быстрое время распространения любого устройства в партии, измеренное с момента, когда часы поднимаются выше VIL, будет превышать как минимум на __ns больше времени удержания самого медленного устройства в партии, измеренного с момента, когда часы поднимаются выше VIH), но обычно они этого не делают; хотя можно было бы добавить дополнительные схемы для обеспечения правильного поведения при всех комбинациях параметров, иногда это может удвоить стоимость используемых схем.