Obliczenia projektowe dla Seasoned EE

Czy doświadczeni projektanci zwykle wykonują sporo obliczeń, czy też duże części obwodów są zaprojektowane intuicyjnie? Pytam, ponieważ wygląda na to, że inżynierowie mają tendencję do wyczuwania, jaką wartość maksymalną chcesz mieć tutaj, rezystor, dla wspólnych części obwodów. Jeśli tak, to dlatego, że to tylko projekty recyklingu? Dla nowicjusza jest to oszałamiające. Jednak książki takie jak Art of Electronics wydają się zachęcać do wykonywania przybliżonych obliczeń w locie.

Jestem profesjonalnym inżynierem elektrykiem, który rutynowo projektuje nowe obwody do produkcji seryjnej i działa od ponad 35 lat.

Tak, często wykonuję obliczenia, aby określić dokładne specyfikacje części. Istnieje również wiele przypadków, w których doświadczenie i intuicja są wystarczająco dobre, a wymagania na tyle luźne, że po prostu wybieram wartość. Nie należy jednak mylić tego z wartością losową.

Na przykład dla rezystora rozwijanego na linii MISO magistrali SPI, po prostu podam 100 kΩ i skończę z tym. 10 kΩ też by działało dobrze, a wybranie kogoś innego również nie byłoby złe. Jeśli używam rezystora 20 kΩ w innym miejscu, to mogę podać inny w linii MISO, aby uniknąć dodawania kolejnej części do BOM. Chodzi o to, że czasami masz dużo swobody, a intuicja i doświadczenie są wystarczająco dobre.

Z drugiej strony, patrząc na schemat mojego najnowszego projektu, który właśnie omawiam na pierwszych tablicach, widzę przypadek, w którym spędziłem trochę czasu nie tylko określając wartość części, ale obliczając wynik wariancji w pozostałej części systemu. Były trzy przypadki dwóch rezystorów zastosowanych w sprzężeniu zwrotnym do zasilacza impulsowego. Oto problem sformułowany jak zadanie domowe:

Próg wejściowy sprzężenia zwrotnego układu zasilania wynosi 800 mV ± 2%. Używasz trzech instancji tego układu, aby wykonać zasilacze 12 V, 5 V i 3,3 V. Wcześniej zdecydowałeś się zastosować około 10 kΩ dla rezystora dolnego każdego dzielnika napięcia. Określić pełne specyfikacje rezystora w każdym przypadku i określić min / max wynikowe nominalne napięcie zasilania. Trzymaj się łatwo dostępnych wartości rezystorów. Użyj 1%, jeśli jest to odpowiednie i odpowiednio określ.

To prawdziwy problem w świecie rzeczywistym, który z kalkulatorem zajął kilka minut. Nawiasem mówiąc, ustaliłem, że 1% rezystorów jest wystarczająco dobry. Właśnie tego się spodziewałem, ale i tak wykonałem obliczenia, aby się upewnić. Zwróciłem również uwagę na pełny zakres nominalny dla każdej dostawy bezpośrednio na schemacie. Przydałoby się to nie tylko później, ale także pokazuje, że problem ten został wzięty pod uwagę i dokonano obliczeń. Ja lub ktoś inny nie będę musiał zastanawiać się później, na przykład, jaka jest tolerancja zasilania 3,3 V, i ponownie wykonam obliczenia.

Oto fragment schematu przedstawiający przypadek opisany powyżej:

Właśnie wybrałem R2, R4 i R6, ale wykonałem obliczenia, aby określić R1, R3 i R5, i wynikające z nich zakresy nominalne zasilacza.

Dodano informacje o częściach SHx (odpowiedź na komentarz)

Części SH nazywam „spodenkami”. To tylko miedź na płycie. Ich celem jest umożliwienie rozbicia pojedynczej sieci fizycznej na dwie logiczne sieci w oprogramowaniu, w tym przypadku w przypadku Eagle. We wszystkich trzech powyższych przypadkach części SH łączą lokalną masę zasilacza impulsowego z płaszczyzną uziemienia na całej płycie.

Zasilacze impulsowe mogą mieć znaczne prądy przepływające przez ich masy, a prądy te mogą mieć komponenty wysokiej częstotliwości.

Znaczna część tego prądu krąży tylko lokalnie. Uczyniwszy lokalną ziemię oddzielną siecią połączoną z główną ziemią tylko w jednym miejscu, te krążące prądy pozostają w małej lokalnej sieci i nie przecinają głównej płaszczyzny uziemienia. Mała lokalna sieć naziemna promieniuje znacznie mniej, a prądy nie powodują przesunięć w głównej ziemi.

W końcu energia musi wypłynąć z zasilacza i powrócić przez ziemię. Prąd ten można jednak filtrować znacznie bardziej niż prądy wewnętrzne wysokiej częstotliwości zasilacza impulsowego. Jeśli zostanie to zrobione prawidłowo, tylko dobrze zachowany prąd wyjściowy przełącznika sprawia, że ​​znajduje się on w bezpośrednim sąsiedztwie innych części całego obwodu.

Naprawdę chcesz utrzymać lokalne prądy wysokiej częstotliwości poza główną płaszczyzną uziemienia. Pozwala to nie tylko uniknąć przesunięć napięcia uziemienia, które mogą powodować te prądy, ale także zapobiega przekształceniu głównego uziemienia w antenę krosową. Na szczęście wiele nieprzyjemnych prądów naziemnych jest również lokalnych. Oznacza to, że można je utrzymywać lokalnie, łącząc lokalną sieć naziemną z głównym gruntem tylko w jednym miejscu.

Dobrym przykładem tego jest ścieżka między stroną uziemiającą nasadki obejściowej a bolcem uziemiającym układu scalonego, który omija. Właśnie tego nie chcesz biegać po głównym terenie. Nie podłączaj po prostu uziemienia bocznika bypassu do głównego uziemienia poprzez przelot. Podłącz go z powrotem do uziemienia układu scalonego za pomocą własnego toru lub uziemienia lokalnego, a następnie podłącz go do uziemienia głównego w jednym miejscu.

Zajmuję się głównie niskimi obrotami na rynku komercyjnym i przemysłowym, więc gdzie indziej może być inaczej.

Co najmniej 75% typowego schematu to zwykle inżynieria blokowa: „Potrzebuję szyny 5 V przy 3 A, 5% tol, mam 15 V”, nie ma sensu projektować, że gdy Ti / Linear / Micrel mają wszystkie mają idealnie dobre projekty w swoich arkuszach danych, to tylko kwestia wybrania jednego (i wybór zwykle nie ma większego znaczenia). Mogę oczywiście projektować według pierwszych zasad, ale nie za to dostaję wynagrodzenie.

To samo dotyczy wielu innych podsystemów.

Są też obudowy „To po prostu musi mieć odpowiedni rząd wielkości”, pociągnij w górę i w dół, aby uzyskać cmos, szeregowe rezystory dla diod LED, itp. Moją zwyczajową praktyką jest pozostawienie ich rozpracowywania, dopóki nie zobaczę, jakich wartości potrzebuję w tych kilku miejscach, które naprawdę mają znaczenie, a następnie wybieram coś z tych wartości, jeśli to w ogóle możliwe. „Włączona dioda LED, zielona, ​​szyna 12V? Ok, dioda LED spadnie kilka woltów mniej więcej, i prawdopodobnie chcę gdzieś w zakresie około 1 - 10mA, więc gdziekolwiek w regionie K będzie dobrze, oh Spójrz, potrzebowałem rezystora 3k9 dla tego filtra, jeden z nich to załatwi ”.

Prawdziwą sztuczką jest wiedzieć, kiedy zgadywanie „palcem w powietrzu” NIE będzie go wycinać, zwykle rzeczy takie jak filtry, pasujące sieci i obwody czasowe, pll i inne informacje zwrotne wymagające znacznych przesunięć fazowych są prawdopodobnie złymi miejscami do zgadywania. Miejsca takie jak te, w których naprawdę potrzebujesz matematyki (zwykle matlab / scilab / ads wykona zadanie, nie musisz tak naprawdę pamiętać o wielu standardowych tabelach całek poza podstawowym wyzwalaczem).

W rzeczywistości jest to dość rzadkie (i bardzo miłe, kiedy to się dzieje), że kończy się w miejscu, w którym elektronika spotyka fizykę i matematykę, jasne, że tak się dzieje, łydki utraty ścieżki, łydki hałasu podczas wykonywania analogu, tego typu rzeczy, ale to jest może 10% projektu, reszta to zazwyczaj coś w stylu ciastek.

Szczególnie w przypadku korzystania z analogowego układu scalonego w arkuszu danych zwykle znajduje się jeden lub więcej sugerowanych obwodów aplikacji. Na przykład obecnie projektuję odbiornik Qi dla projektu. Kondensatory w pętli indukcyjnej zależą od wielu zmiennych, a arkusz danych zawiera pewne równania do określania ich wartości:

Chodzi więc o podłączenie liczb, uporządkowanie obwodu i wypróbowanie go.

W przypadku projektowania analogowego wykonujemy obliczenia w przeważającej części. Niektóre rzeczy, takie jak kondensatory sprzęgające i obejściowe / filtrujące, mogą po prostu wybrać „typową” wartość, wiedząc, że zadziała w przypadku aplikacji. Pamiętaj jednak, że „typowy” będzie inny dla obwodów prądu stałego, audio i obwodów radiowych - musimy się z tym zapoznać.

W przypadku rezystorów polaryzacji i wzmocnienia zwykle wykonujemy obliczenia. Robię je ręcznie, ponieważ równania są proste. Często chcemy uzyskać obwód o „wzmocnieniu około 10”, więc stosunki są dość proste do zrobienia w twojej głowie, a wartości (1K vs 1Meg) są wybierane dla rodzaju obwodu.

Dokładność wymagana przez aplikację, jest to, co dyktuje ilość ponownego użycia, intuicyjną konstrukcję i / lub formalny projekt, który można by wykorzystać. Jednym z przykładów jest odpowiednio: wzmacniacz audio, wzmacniacz o niskim poziomie szumów dla telewizora i wzmacniacz o bardzo niskim poziomie szumów dla radioteleskopu. Powinno być jasne, że to, jak „formalny / dokładny” powinien być projekt, zależy od tego, jak „krytyczna” jest aplikacja (a także ile czasu i pieniędzy jest dostępnych na projekt).