基于最小值/最大值的电路设计是好的做法吗?

电器工程 设计 最佳实践 工业的
2022-01-27 10:49:16

我一次又一次地与我的一位同事就上述问题争论不休。当我设计用于大规模生产(> 10k/a)的电路时,我希望它能够抵抗我所知道的所有可能的组件参数变化。这意味着例如:

  • VBE、电流增益等 BJT 参数与偏置和温度的关系
  • 无源器件的容差、温度依赖性、老化和焊接漂移
  • 组件的使用寿命

此外,我认为在正常操作条件下任何违反绝对最大额定值的行为都是不可接受的。

据我了解我的同事,他只是认为关心寄生虫之类的事情是无用的。只需将它们放在一起并尝试它是否有效,就是这样。将一些部件放入加热室,老化它们,如果它们仍然可以工作,那么你就完成了。他在设计商业电子产品方面的经验比我多,但我真的不喜欢这种方法。我坚信,作为一名工程师,我应该在第一次构建电路之前考虑到电路的任何部分。

我的方法只是病态的完美主义还是合理的?我已经发现很多电子设计师并不关心稳健的设计......

4个回答

工程不仅是关于创建稳健的设计,而且是关于创建满足某些规范的设计。通常年轻设计师并不完全理解经济因素是规范的一部分问题在于,有时这些经济因素没有得到很好的说明(这通常是管理层的错),但是一个好的设计师在某种程度上应该在他的设计中考虑非严格的技术方面,例如:

  • 与 BOM 相关的成本:谁在乎 1% 的设备在现场出现故障,如果向客户运送新设备比让所有设备都更可靠更经济!

  • 上市时间:如果我们的竞争对手提前一个月发货,谁在乎这些装置是否更可靠!

  • 计划报废:(可悲,不环保,但通常是这样的):如果我们将它们推销为能够使用 5 年,我们为什么要运送可以使用 20 年的设备(而且我们制定了更低的价格指向那个)?!?

  • 等等。

当然,所有这些都取决于您正在创建的设计所针对的领域。如果您的目标是一个单一故障可能导致生命损失的市场(例如一个新的除颤器),您将在您的设计中应用更多的安全裕度(在某些情况下,强制性安全标准会迫使您这样做)。

例如,如果您正在为太空探测器设计一个任务关键型板,以执行约 1G 美元的冥王星任务,则更严格的规格是好的。在这种情况下,你真的会想要预见不可预见的事情并测试任何可能出错的小事情。但这在经济上被美国宇航局起诉(或解雇)的风险所抵消,因为你蹩脚的 MCU 代码使所有任务都出错了!

回顾一下,经验丰富的成功设计师知道如何管理所有这些经济因素。当然,他们中的一些人非常聪明,并且真正了解使项目取得成功所需的所有微妙平衡(无论是新的 Apple iMostUselessMuchHypedphone 还是检测彗星上细菌的最佳仪器)。其他一些令人难以置信但真实的人只是幸运地找到了正确的利基市场,其中“原型在受到一点虐待后还能工作吗?好吧!让我们发货吧!” 咒语效果很好!

顺便说一句,一个好的设计师应该时刻警惕他的要求。有时,给你规格的人并不真正知道他们想要或需要什么。甚至设计师与客户(或管理层)之间的沟通也可能具有误导性。例如,如果客户要求一个可以在冬季正常工作的远程控制气压站,那么他是来自阿拉斯加还是来自沙特阿拉伯并不重要!一个好的设计师应该与客户一起制定规格,如果他有能力这样做的话,一个成功的设计师通常可以提出正确的问题来确定设计的实际规格,让客户满意。

我可以理解,对于一些工程师来说,解决所有细节是令人信服的,尤其是对于一些真正热爱创造运作良好的东西的热情的人。这本身并不是一个错误,但重要的是要了解做出权衡的能力是工程的一部分。随着经验的积累,这种能力会有所提高,特别是如果你与优秀的高级设计师一起工作。

您还可能发现您为一个对您的品味标准太低的雇主工作,这可能会促使您寻找另一份工作。但这应该在您获得更多经验并学习一些交易技巧并让您对更好的雇主更有“胃口”之后进行。

我100%和你在一起。也就是说,有些事情(例如 hFE)你必须相信事情不会在(比如说)两个保证点之间变得太不稳定,并且物理和典型曲线中的任何内容都不会暗示任何奇怪的行为。

如果您使用“试一试”的方法,这实际上可能是处理复杂寄生效应的实用方法,至少可以通过测试限制或相位裕度等找出您可能离灾难多远。这也是可行的,那就是好的。

骑士方法的问题在于,如果您不了解诸如光耦合器老化或某些类型的漂移或其他长期影响之类的事情,并且在一两年后您开始出现 10% 的现场故障。或者你最终会得到 5% 或 10% 的辐射,因为某些组件比其他组件更典型,并且 5-10% 的非辐射在后期在难以重现的条件下会失败。

即使该部件超出其推荐的操作条件或预期用途,我还没有因睁眼评估、测试和审查所承担的风险而被烧伤。这总是一些没有被考虑过的东西,而且是从左领域出来的。考虑所有可能出错的事情是如何最大限度地减少这些问题。即使他们不是“你的错”。其中一些是系统级的东西,与设计没有直接关系。例如,在 2 秒内打开和关闭 5 次的电源不应该出现故障,但这可能不在规格中,因此它可能不是针对它设计或测试的。

违反绝对最大额定值几乎总是一个非常糟糕的主意,即使在设计空间的最远角落(最大环境温度、最大负载、最大输入电压、最小通风等)也是如此。可能有一些奇怪的案例可以证明是合理的。例如,有些产品只需运行一次。

对于相反的方法,请参阅Muntzing如果这是公认的做法,旁路电容器的销量肯定会直线下降。

我将对元件值可能对电路性能产生重大影响的电路进行最坏情况分析;例如运算放大器的增益,该增益对于连接到运算放大器输出的下一个电路很重要。我将对开关电源进行相同的分析,因此我可以预期电压在预期的范围内。(主要是数字设计师,运算放大器和电源是我模拟专业知识的极限。) LTSpice可用于执行此类分析。但是我不关心例如上拉电阻的容差;不能指望它的变化足以产生影响。

虽然问题中没有提到,但这种类型的分析有时对数字设计也很重要。大多数数字 IC 的数据表包括各种参数(如建立和保持时间)的最小和最大时间。当将各种 IC 组合在一起时,有时其他芯片中的时序变化,包括传播延迟,会导致无法满足这些时序要求。特别是,我在与记忆交互时遇到了这样的问题。

关于计划报废的主题,出于经济原因,这有时是必要的。例如,锂聚合物电池的预期寿命可能只有三到四年。您是否为客户提供更换电池的方法?还是你把它放在一个封闭的盒子里,就像苹果公司的 iPhone 那样,电池只能在他们的一家商店更换(除非客户购买了秘密工具并在 YouTube 上观看视频)。

另一个例子是蜂窝调制解调器。几年前,在开展一个仅使用蜂窝调制解调器进行数据传输的项目时,我们决定使用 2G 调制解调器而不是 3G,尽管我们知道 2G 将被淘汰。原因是 2G 调制解调器的价格是 3G 的一半。我们发现一家运营商承诺在设备的预期使用寿命内提供 2G。

我认为最好遵循的策略取决于您设计的产品类型。如果它是简单且非关键的东西,只是IC数据表上的电路实现。那么可能您同事的方法就足够了。IC 和其他组件保证在指定的范围内工作。不需要额外检查。

但是,如果(例如)您正在设计一个非常精确的电压基准而没有使用 IC,那么您提到的所有事情都会变得更加重要,因为变化会影响性能。

但是,如果您以“聪明”的方式进行设计,那么您可以弥补很多事情。例如 BJT 的 VBE,在 IC 设计中我们到处使用电流镜,因为输入和输出晶体管是在同一制造步骤中制造的,它们几乎相同,VBE 的差异并不重要。在离散(片外)设计中,您可以使用运算放大器来制作精确的电流镜。例如,只需使用精确的电阻器和低失调运算放大器。例如,通过使用发射极电阻器或基极电流补偿电路实现,可以使电流镜更加精确。

凭借经验,您可以从不太关键的部分中识别出关键部分。但是,如果您不知道(没有经验),那么现在调查对变化的敏感性会给您一个想法。

我认为诀窍是保持务实的态度,并从不同的角度看待问题:什么重要,什么不重要?我在哪里需要全面调查,哪里不需要。