Hoe voorkom je veelgemaakte fouten tijdens het ontwerpen van een schema?

Bij het ontwerpen van een elektronisch circuit is het essentieel om je bewust te zijn van de typische valkuilen die zelfs de meest ervaren ontwerpers kunnen overkomen. Hoewel softwaretools zoals simulators en automatische foutdetectie nuttige hulpmiddelen zijn, blijft de rol van de ontwerper cruciaal in het identificeren en vermijden van potentiële problemen. Er zijn verschillende aspecten van het ontwerp die vaak over het hoofd worden gezien, maar die een significant effect kunnen hebben op de betrouwbaarheid van het eindproduct. Enkele van deze overwegingen worden hieronder besproken.

Een van de eerste stappen die vaak als vanzelfsprekend wordt beschouwd, is het controleren van de voedingsspanning. Elk onderdeel in je circuit moet draaien op de juiste spanning die bij het component hoort. Dit lijkt eenvoudig, maar wanneer je werkt met verschillende chips die op verschillende spanningen draaien, kunnen er snel fouten insluipen. Dit is vooral belangrijk in complexe schema’s waar meerdere spanningen parallel gebruikt worden, zoals in systemen die zowel 3,3 V als 5 V vereisen. Zorg ervoor dat de spanning op elk punt correct is toegewezen en dat er geen conflicten ontstaan door verkeerde spanningsniveaus.

Een andere veelvoorkomende vergissing heeft te maken met de logische niveaus van de GPIO-pinnen. Het is eenvoudig om bijvoorbeeld een 3,3 V GPIO pin aan te sluiten op een 5 V component, zonder te realiseren dat het 5 V component niet goed zal reageren op de lagere spanning van 3,3 V. In dit geval moet je een niveauomzetter (level shifter) gebruiken, bij voorkeur een bidirectionele versie als beide richtingen van communicatie nodig zijn. Het correct afstemmen van logische niveaus voorkomt communicatieproblemen die anders moeilijk op te sporen zijn.

Naast de hardwarematige overwegingen is het essentieel om altijd de meest actuele datasheets van de gebruikte componenten te raadplegen. Er kunnen meerdere versies van een datasheet bestaan, en het is belangrijk om de versie te gebruiken die het dichtst bij de werkelijke productieversie van het onderdeel ligt. De meeste fabrikanten bieden de meest recente datasheets op hun officiële websites aan, wat de beste plek is om deze te downloaden. Verouderde datasheets kunnen cruciale informatie missen die van invloed kan zijn op de werking van je ontwerp.

Een ander veelvoorkomend probleem ontstaat wanneer GPIO-pinnen niet correct worden toegewezen voor specifieke functies. Microcontrollers ondersteunen vaak slechts bepaalde functies op specifieke pinnen, zoals ADC-ingangen, timerinvoer- en uitvoer, UART's en interrupts. Het is belangrijk om de datasheet zorgvuldig te controleren om ervoor te zorgen dat de gekozen pin daadwerkelijk de juiste functie ondersteunt. Het kan namelijk voorkomen dat je per ongeluk een pin selecteert die deze functionaliteit niet biedt, wat kan leiden tot onverwachte storingen.

Bij het ontwerpen van circuits die inductieve of piezo-elektrische ladingen aandrijven, moet er extra aandacht worden besteed aan beschermingscircuits. Inductieve ladingen, zoals motoren of relais, kunnen bij het uitschakelen een scherpe spanningspiek veroorzaken, die de stuurcircuit kan beschadigen. Het gebruik van een flyback-diode is noodzakelijk om de terugvloeiende stroom te beheersen en zo schade te voorkomen.

Het is ook belangrijk om er zeker van te zijn dat je ontwerp bestand is tegen het omkeren van de polariteit, vooral bij het gebruik van gepolariseerde componenten zoals condensatoren. Deze mogen niet omgekeerd worden aangesloten, omdat dit ernstige schade kan veroorzaken. Daarom moet je zorgen voor mechanische of elektronische bescherming tegen omgekeerde polariteit, wat het ontwerp robuuster maakt en de kans op schade door verkeerde aansluiting minimaliseert.

Bij ontwerpen die afhankelijk zijn van een batterijvoeding, is het van cruciaal belang om te berekenen of het ontwerp blijft functioneren zelfs wanneer de batterij bijna leeg is. LDO's (Low Dropout Regulators) hebben bijvoorbeeld vaak een minimale ingangsspanning die hoger is dan de uitgangsspanning, wat kan betekenen dat je ontwerp uitvalt als de batterij te ver ontladen is. Het toevoegen van een boostconverter kan helpen om voldoende spanning te behouden, zelfs bij lage batterijniveaus.

Het begrijpen van de dynamiek van signaalvertragingen is eveneens belangrijk om zogenaamde racecondities te vermijden. Deze kunnen optreden wanneer de volgorde van signalen belangrijk is voor de juiste werking van het systeem. Het toepassen van technieken zoals terugdruk (back pressure) uit de FPGA-ontwikkeling kan helpen om ervoor te zorgen dat een module pas geactiveerd wordt wanneer de vorige module klaar is met zijn taak.

Tot slot is het belangrijk om te controleren of ongebruikte pinnen correct zijn aangesloten, vaak op de massa, om te voorkomen dat ze "zweven" en storingen in het circuit veroorzaken. Dit kan ook bijdragen aan het verbeteren van de signaalintegriteit door inductantie te verminderen.

Hoewel het verleidelijk is om te vertrouwen op de ontwerpen van ontwikkelborden, moeten deze met zorg worden geïmiteerd. Ontwikkelborden zijn vaak niet geoptimaliseerd voor EMC (Elektromagnetische Compatibiliteit) en kunnen moeilijkheden veroorzaken bij het voldoen aan regelgeving, zoals de FCC-certificering. Het is raadzaam om de prestaties van een ontwikkelbord eerst grondig te testen voordat het als basis voor een eigen ontwerp wordt gebruikt.

Hoe ontwerp je een betrouwbare PCB met gecontroleerde impedantie en geoptimaliseerde via-structuren?

De breedte van een trace en de afstand tussen sporen zijn onlosmakelijk verbonden met de dikte van het koper. Deze parameters bepalen niet alleen de elektrische prestaties van het circuit, maar ook de haalbaarheid van de fabricage. Hoe dunner het spoor bij een bepaalde koperdikte, hoe groter de kans op fabricageproblemen zoals lage opbrengst of defecte prints. Daarom moet de minimale tracebreedte altijd worden afgestemd met de fabrikant. De praktijk wijst uit dat fabrieken de opgegeven waarden vaak iets aanpassen om te voldoen aan de gevraagde impedantie. Kleine afwijkingen in breedte zijn normaal en gewenst voor een nauwkeurige afstemming.

Wanneer een ontwerp sporen bevat met gecontroleerde impedantie, moeten deze duidelijk als zodanig worden aangeduid in de documentatie. Dit betekent niet alleen het vermelden van de impedantiewaarde, maar ook het specificeren van de referentielaag en tracebreedte. Het gebruik van een unieke breedte voor deze sporen maakt ze eenvoudig identificeerbaar en voorkomt verwarring met niet-gecontroleerde lijnen. Fabrikanten leveren doorgaans een impedantierapport bij, waarin de gemeten impedanties en uiteindelijke trace-afmetingen worden weergegeven.

Stripline heeft het voordeel van een hogere dichtheid door betere isolatie en minder interferentie, maar is gevoeliger voor variaties in de diëlektrische constante. Doordat het volledig wordt omringd door het substraat, leidt elke verandering in de relatieve permittiviteit tot een wijziging in karakteristieke impedantie, wat resulteert in reflectie en verlies. Microstrip daarentegen heeft lagere verliezen, deels doordat een aanzienlijk deel van het veld zich in lucht bevindt. Hierdoor is het uitermate geschikt voor prototyping, vooral bij RF-ontwerpen waarbij geen via’s nodig zijn en slechts één zijde van het substraat wordt bewerkt.

CPW biedt betere controle over impedantie, maar vraagt zeer nauwkeurige fabricage, vooral bij kleine afstanden tussen geleider en aardvlak. Reparaties aan microstrip of CPW zijn eenvoudiger dan bij stripline, omdat de structuur toegankelijk is. Foutieve via-overgangen kunnen de prestaties ernstig aantasten, vooral bij stripline, waar correctie vaak alleen mogelijk is met een volledig nieuwe fabricagecyclus. Microstrip- en CPW-lijnen kunnen bovendien worden geprobed met E-veld of H-veld sondes, wat bij stripline door de dubbele afscherming niet mogelijk is.

Naast de impedantie en signaallijnen is de via-structuur van fundamenteel belang. De eenvoudigste variant is de doorgeplateerde via die het volledige board doorboort. Maar complexe ontwerpen vereisen meer geavanceerde via-types: microvia’s, blind en buried via’s. Microvia’s verbinden meestal slechts één laag met de aangrenzende laag. Hoewel het technisch mogelijk is om microvia’s te stapelen, verhoogt dit het risico op delaminatie. Het is betrouwbaarder om ze in een verspringende configuratie te plaatsen.

Blind via’s verbinden buitenlagen met binnenlagen, zonder het volledige board te doorboren. Buried via’s daarentegen bevinden zich uitsluitend tussen binnenlagen. Gevulde microvia’s, vaak met koper, bieden voordelen op het gebied van warmteoverdracht en maken plaatsing op componentpads mogelijk, wat routingdichtheid maximaliseert. Toch brengen deze structuren extra kosten en langere fabricagetijden met zich mee, vooral wanneer meerdere laminatiecycli nodig zijn. Elke extra cyclus vereist precieze uitlijning en verhoogt de kans op defecten.

Backdrilling biedt een compromis: door een via gedeeltelijk uit te boren, wordt het ongebruikte segment geëlimineerd, wat overschietende capaciteit vermindert. Dit benadert het gedrag van een blind via, maar vereist geen extra lamineringsproces. Door slim gebruik te maken van dergelijke technieken, kan een ontwerp zowel economisch als technisch worden geoptimaliseerd.

Naast trace-impedantie en via-types is het essentieel dat de ontwerper rekening houdt met de algehele stackup en de homogeniteit van het substraat. Materiaalkeuze, soldeermasker, en zelfs de geb

Hoe kan je het assemblageproces optimaliseren en fouten voorkomen?

Bij het assembleren van producten op grote schaal is het belangrijk om inefficiënties te identificeren. Dit kan door middel van tijdstudies en observaties van de assemblers. Het doel is om te begrijpen welke onderdelen het proces vertragen, welke onderdelen geautomatiseerd kunnen worden en welke voorbereidingen al vóór de assemblage getroffen kunnen worden om tijd te besparen. Het is essentieel om ervoor te zorgen dat de assemblers beschikken over goed gereedschap en dat dit op de juiste manier wordt gebruikt. Goed opgeleide technici moeten weten wanneer gereedschap vervangen moet worden en hoe ze reparaties op de juiste manier moeten uitvoeren. Dit is vooral belangrijk wanneer je werkt met nieuwe technologieën of in een opstartfase, waar certificering en formele opleidingen mogelijk niet binnen het budget vallen. In dergelijke gevallen kunnen documenten van organisaties zoals IPC (International PCB Association) nuttig zijn, hoewel ervaring en praktijkkennis de belangrijkste factoren blijven.

Daarnaast is een bill-of-materials (BOM) essentieel. Dit document bevat niet alleen de onderdelen die op de printplaat moeten worden gesoldeerd, maar ook andere benodigde materialen zoals thermische pasta, koellichamen en jumpers. Voor producten die frequent gerepareerd of geüpdatet moeten worden, kan het gebruik van een ‘travel sheet’, ofwel een reisdocument, nuttig zijn. Dit document volgt de printplaat tijdens het productie- of reparatieproces en helpt bij het bijhouden van de voorraad, het waarborgen van de kwaliteit en het bevestigen dat de juiste procedures zijn gevolgd.

De juiste tools zijn van fundamenteel belang bij het assemblageproces. Wanneer je bijvoorbeeld werkt met RF-connectoren, is het van cruciaal belang een momentwrench te gebruiken die specifiek is ontworpen voor de connectoren die je gebruikt. Het gebruik van het verkeerde gereedschap kan leiden tot beschadigingen van de connector of onjuiste prestaties van het apparaat. Bovendien kunnen het gebruik van de verkeerde tape of isolatiemateriaal ook grote gevolgen hebben voor de kwaliteit van je assemblage. Elektrische tape, hoewel het voor veel mensen de voor de hand liggende keuze lijkt, is allesbehalve ideaal. Het laat plakkerige residu achter en is vaak onbetrouwbaar. In plaats daarvan is polyimide tape (Kapton tape) veel geschikter voor toepassingen in elektronica, omdat het geen residu achterlaat, thermisch bestendig is en goed hecht aan verschillende materialen zonder verlies van isolatiewaarde.

Voor apparaten die onder zware omstandigheden gebruikt zullen worden, is het raadzaam om een conformal coating of pottingmateriaal te gebruiken. Conformal coating is een dunne, heldere polymeerfilm die de printplaat volledig bedekt en bescherming biedt tegen stof, vocht en andere schadelijke omgevingsfactoren. Dit helpt niet alleen om de levensduur van het product te verlengen, maar voorkomt ook mogelijke elektrische storingen door kortsluiting of het ontstaan van tin whiskers. Het voordeel van conformal coating is dat het nog steeds mogelijk is om de printplaat te repareren of opnieuw te bewerken, zelfs na de toepassing van de coating.

Naast het technische aspect van assemblage is het belangrijk te begrijpen dat communicatie en continue afstemming tussen alle betrokkenen cruciaal zijn. Assemblers moeten niet alleen duidelijk kunnen werken volgens de gestelde richtlijnen, maar ook in staat zijn om feedback te geven en problemen te signaleren die tijdens het assemblageproces optreden. Goede documentatie, de juiste tools en training kunnen geen succesvolle assemblage garanderen zonder een cultuur van samenwerking en aandacht voor detail.