Hoe ontwerp je elektronica die werkt: Het proces van hardwareontwikkeling in de echte wereld

Het ontwerp van elektronica is een complex proces dat verschillende stadia omvat, van planning en componentkeuze tot prototyping en testen. Het begrijpen van de basisprincipes van hardwareontwikkeling is essentieel voor het maken van betrouwbare en goed presterende producten. In deze context is het van belang om niet alleen te focussen op de theoretische aspecten van elektronica, maar ook om praktische kennis en ervaring op te doen in het daadwerkelijke ontwikkelingsproces.

Het kiezen van de juiste componenten voor je ontwerp is een andere belangrijke stap. Er zijn twee hoofdtypen componenten in elektronische systemen: passieve en actieve componenten. Passieve componenten, zoals condensatoren, weerstanden en inductoren, spelen een essentiële rol in de stroomkring en kunnen de prestaties van het systeem sterk beïnvloeden. Actieve componenten, zoals microcontrollers, transistors en batterijen, zijn verantwoordelijk voor de daadwerkelijke werking en regeling van het systeem. Het correct selecteren van deze componenten, rekening houdend met hun eigenschappen, prestaties en kosten, is essentieel voor het succes van het ontwerp. In veel gevallen is het noodzakelijk om componenten te kiezen die voldoen aan specifieke vereisten, zoals hoge betrouwbaarheid, lage temperatuurgevoeligheid of hoge frequentieprestaties.

Nadat het schema is goedgekeurd, komt de PCB-ontwerpfase (Printed Circuit Board). Dit is waar de fysieke implementatie van het ontwerp plaatsvindt. Het kiezen van de juiste materialen, het bepalen van de opmaak van de PCB, het selecteren van de juiste lagen en het ontwerpen van de sporen zijn belangrijke factoren die de prestaties van het systeem kunnen beïnvloeden. Bij deze fase moeten ontwerpers rekening houden met verschillende factoren, zoals thermische overwegingen, ontwerpfouten en de complexiteit van de assemblage.

Hoewel het schema en de PCB ontwerpprocessen cruciaal zijn, is het belangrijk om te begrijpen dat er altijd ruimte is voor fouten. Het testen van prototypes is daarom een onmisbare stap. Alleen door te testen kun je er zeker van zijn dat de hardware daadwerkelijk werkt zoals bedoeld. Testen omvat niet alleen het controleren van de functionaliteit, maar ook het verifiëren van de prestaties onder verschillende omstandigheden. Dit kan onder andere betekenen dat je de elektronische componenten blootstelt aan extreme temperaturen, elektrische storingen of andere real-world situaties. Het gebruik van geavanceerde testapparatuur en -technieken kan helpen om mogelijke tekortkomingen op te sporen en ervoor te zorgen dat het eindproduct betrouwbaar is.

Bovendien moet men zich bewust zijn van de regels en voorschriften die van toepassing zijn op elektronische systemen, vooral wanneer het gaat om elektromagnetische compatibiliteit en immuniteit. Veel elektronische systemen moeten voldoen aan bepaalde normen en regelgeving om ervoor te zorgen dat ze geen schadelijke elektromagnetische verstoringen veroorzaken of erdoor worden beïnvloed. Dit kan een aanzienlijke impact hebben op het ontwerp van de hardware, aangezien de keuze van materialen en de opstelling van componenten vaak moeten worden aangepast om aan deze eisen te voldoen.

Wanneer het prototype is getest en geverifieerd, komt de fase van productie en assemblage. Dit is de laatste stap voordat het product op de markt kan worden gebracht. Bij deze fase moet aandacht worden besteed aan verschillende aspecten, zoals het minimaliseren van productiekosten, het verbeteren van de assemblage-efficiëntie en het waarborgen van de productkwaliteit. Een goed georganiseerde productielijn is cruciaal om een hoogwaardig eindproduct te leveren en tegelijkertijd kosten te beheersen.

Naast de technische aspecten van hardwareontwikkeling is het belangrijk om te begrijpen dat de keuze voor de juiste partners en leveranciers een grote invloed heeft op het succes van het project. Van de keuze van componenten tot het inschakelen van een betrouwbare fabrikant, het is essentieel om samen te werken met ervaren en betrouwbare partijen die bijdragen aan het succes van het ontwerp. Dit geldt niet alleen voor de ontwikkeling, maar ook voor het latere onderhoud en de ondersteuning van het product.

Het begrijpen van het hardwareontwikkelingsproces betekent niet alleen dat je technische kennis bezit, maar ook dat je in staat bent om de uitdagingen die tijdens het ontwerp- en productieproces kunnen optreden effectief aan te pakken. De combinatie van technische kennis, creatief probleemoplossend vermogen en de bereidheid om fouten te leren en te corrigeren, is de sleutel tot het ontwikkelen van betrouwbare en goed werkende elektronische systemen.

Hoe de Belangrijke Parameters van Elektronische Componenten de Prestaties Beïnvloeden

De werking van elektronische componenten, zoals MOSFET's, diodes en batterijen, hangt sterk af van de specifieke technische eigenschappen en de juiste selectie ervan. Het begrijpen van de fundamentele parameters van deze componenten is essentieel voor het ontwerp van efficiënte en betrouwbare elektronische systemen. Dit hoofdstuk bespreekt enkele van de belangrijkste aspecten die van invloed zijn op de prestaties van deze componenten en hoe ze optimaal kunnen worden toegepast.

$V_{GS} - V_T = R_G \times C_{iss} \times \ln\left(\frac{V_{GS} - V_{gp}}{V_{GS} - V_{T}}\right)$

Als je werkt met schakelaars zoals GaN FET's, moet je specifiek letten op de opstartvolgorde om schade aan de componenten te voorkomen. Deze vereisen een speciale stuurcircuits om correct te functioneren. Het gebruik van een te trage driver kan echter de schakeltijd verstoren, wat invloed heeft op de algehele prestaties van het systeem. De keuze van het stuurcircuit is dus van cruciaal belang om te voldoen aan de tijdvereisten van de schakeling.

Naast de poortparameters is het ook van belang om de drain-sourceweerstand $R_{ds}$ van de FET's te overwegen. Deze weerstand zorgt voor vermogensverlies in de vorm van warmte. Bij het ontwerpen van low-power of batterijgevoede circuits kan een hoge $R_{ds}$ leiden tot onnodige energieverliezen, wat de energie-efficiëntie van het apparaat beïnvloedt. In toepassingen waar grote stromen worden geschakeld, zoals bij power MOSFET's, kan een te hoge $R_{ds}$ leiden tot oververhitting en vroegtijdige falen van de component. Het is raadzaam om bij de selectie van een MOSFET een waarde voor $R_{ds}$ onder de 1 Ω te kiezen, indien mogelijk. Tevens is het belangrijk te realiseren dat de $R_{ds}$ toeneemt bij hogere temperaturen, wat kan leiden tot een vicieuze thermische spiraal van toenemend verlies en falen van de component.

Bij het kiezen van diodes is het belangrijk rekening te houden met de stroomcapaciteit van de component. LEDs moeten voldoende helder zijn voor de toepassing, en het is van belang dat de diode een lage vooruitspanningsval heeft om energieverliezen te minimaliseren. Schottky-diodes zijn hiervoor een goede keuze, hoewel ze een hogere omgekeerde lekkagecapaciteit hebben die toeneemt bij hogere temperaturen. Bij het kiezen van een diode moet men ook de maximale omgekeerde spanning in acht nemen, waarbij het apparaat kan beginnen met lekken en de efficiëntie afneemt.

De keuze van de juiste batterij is ook van fundamenteel belang voor de prestaties van een elektronisch systeem. De meeste ontwerpen kunnen werken met gangbare batterijtypes, maar het is belangrijk de chemie van de batterij te begrijpen en welke eigenschappen voor jouw ontwerp belangrijk zijn. Batterijen worden gekarakteriseerd door hun capaciteit in ampère-uur (Ah) of milliampère-uur (mAh), en hun ontlaadsnelheid wordt beschreven door de C-waarde. Een batterij met een C-waarde van 1 kan bijvoorbeeld 1 ampère gedurende 1 uur leveren, terwijl een batterij met een C-waarde van 10 tot 10 ampère gedurende 0,1 uur kan leveren. Bij het gebruik van batterijen is het essentieel om de C-waarde niet te overschrijden, aangezien overmatige ontlading of oplading de levensduur van de batterij aanzienlijk kan verkorten en zelfs schade kan veroorzaken.

Een batterij is onderverdeeld in primaire (niet-oplaadbare) en secundaire (oplaadbare) typen. Wanneer gedetailleerde informatie over de batterijprestaties nodig is, kan een gasmeter worden gebruikt. Deze chips meten de opgeladen capaciteit, het voltage en de stroom om de toestand van de batterij nauwkeurig te volgen, en zijn van cruciaal belang voor het optimaal beheren van de laadcycli en het verlengen van de levensduur van de batterij.

Hoe Resistor- en Capacitor-keuzes de Prestaties van Digitale Circuits Beïnvloeden

Moderne digitale chips hebben vaak een stijgtijd van 1 ns of sneller. Wanneer een signaal door een 0 Ω weerstand wordt geleid, kan deze weerstand de stijgtijd vertragen of de golfvorm beïnvloeden, vanwege de inductantie die de weerstand introduceert. De exacte inductantie van een weerstand is niet alleen afhankelijk van de grootte van de behuizing, maar ook van factoren zoals de manier van termineren, het trimtype en hoe de weerstand wordt gemonteerd. Over het algemeen geldt: hoe kleiner de behuizing, hoe minder inductantie. Het gebruik van een 0 Ω weerstand is vaak prima, maar het is belangrijk om goed naar het signaal te kijken dat er doorheen gaat, en de niet-ideale effecten van de weerstand in overweging te nemen.

Het is echter belangrijk te begrijpen dat de officiële aanbevelingen niet per se de ultieme oplossing zijn. Voor wie ervaring heeft met ontwerpen, is het mogelijk om wijzigingen aan te brengen die de prestaties voor een specifieke toepassing verbeteren. Bij het ontwerpen van een circuit moet je altijd rekening houden met verschillende factoren, zoals de limieten van de belasting, de krachtbeperkingen van schakelapparaten, en de juiste keuze van buffers voor het aansteken van meerdere ladingen.

Een cruciale factor die vaak over het hoofd wordt gezien is de dissipatie van warmte in de verschillende componenten. Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat de energie die wordt gedissipeerd door alle onderdelen binnen de thermische en vermogensbeperkingen blijft, zoals aangegeven in hun datasheets. Voor componenten zoals versterkers moet je vaak een koellichaam gebruiken wanneer het vermogen dat wordt gedissipeerd groter is dan wat de verpakking aankan. Grotere componenten kunnen meer warmte afvoeren, maar het blijft essentieel om altijd de juiste keuze te maken op basis van de vermogensvereisten.

Daarnaast moeten schakelaars en belastingbeheer goed worden geselecteerd, vooral wanneer ze worden gebruikt om het energieverbruik van het circuit te verminderen. Het is vaak verleidelijk om goedkopere transistors te gebruiken in plaats van load switches, maar deze bieden mogelijk geen ESD-bescherming en kunnen hogere lekstromen vertonen, wat de prestaties van je ontwerp schaadt.

Een ander aspect dat van groot belang is, betreft de keuze en plaatsing van ferrietkorrels. Wanneer een ferrietkorrel bijvoorbeeld wordt gebruikt om ruis van de voeding te verminderen, moet deze vóór de bypass-condensatoren worden geplaatst. Als de bypass-condensator echter vóór de ferrietkorrel staat, kan de inductieve eigenschap van de korrel de stroomveranderingen tegengaan, waardoor het nut van de condensator teniet wordt gedaan. Het verkeerd plaatsen van een ferrietkorrel kan bovendien onbedoeld een LC-tankkring creëren die begint te oscilleren, wat ruis en andere storingen kan veroorzaken.

De selectie van capacitors is eveneens cruciaal voor de prestaties van digitale IC's. Een goed ontworpen voedingsnetwerk vereist het gebruik van meerdere condensatoren met verschillende capacitantie. Grotere condensatoren hebben een lage impedantie bij lage frequenties, terwijl kleinere condensatoren beter presteren bij hogere frequenties. Een goed ontworpen combinatie van condensatoren helpt bij het onderhouden van een lage impedantie over een breed frequentiebereik, wat cruciaal is voor een stabiele werking van het systeem. Het is essentieel om zowel de fysische grootte van de condensatoren als hun ESR-waarden zorgvuldig te overwegen volgens de aanbevelingen in datasheets.

De keuze van het type condensatoren, evenals de chemische samenstelling en grootte, heeft ook invloed op de algehele prestaties. Kleinere condensatoren hebben bijvoorbeeld minder inductantie, wat bijdraagt aan een betere signaalintegriteit en minder ruis in het circuit.

Een belangrijk punt om te overwegen is dat je, zelfs met de beste specificaties, altijd rekening moet houden met de niet-ideale effecten van je ontwerp. Denk aan parasitaire capaciteiten of de resonantie van ferrietkorrels en andere componenten die ongewenste oscillaties kunnen veroorzaken. Het gebruik van simulatiesoftware, zoals LTSpice, kan helpen bij het identificeren van potentiële problemen voordat je het ontwerp naar de productiefase brengt.

Wanneer je deze overwegingen in je ontwerp integreert, zorg je ervoor dat je circuit niet alleen functioneel is, maar ook robuust en betrouwbaar onder een breed scala van werkomstandigheden. Je hebt dus niet alleen de datasheet nodig om te begrijpen hoe een component werkt, maar ook diepgaand inzicht in de interacties tussen de verschillende elementen van het systeem. Het is de kunst van het ontwerp om alle subtiele details van de componentkeuze, plaatsing en ontwerpstrategieën effectief samen te brengen.

Hoe kun je de levensduur van een apparaat testen zonder het langdurig in gebruik te nemen?

Er is immers geen tijd om een apparaat 5.000 uur lang te laten draaien. In plaats daarvan worden de temperatuur en de voltages van het apparaat verhoogd en het apparaat wordt gedurende ongeveer 48 uur getest. Het kan een goed idee zijn om de HALT-test niet te beperken tot een vast aantal uren, maar door te gaan totdat iets faalt, vooral als het aantal apparaten dat wordt getest klein is. Dit kan je meer inzicht geven in de verwachte levensduur van het apparaat.

Er zijn verschillende versnelde tests die worden toegepast, waaronder protocollen die het standaardleven, lange levensduur en automotive gebruik simuleren. Zo kan een elektrostatische ontladingstest bijvoorbeeld de schade simuleren die kan optreden door menselijke interactie met een component (menselijk-lichaammodel), de werking van een machine (machinemodel) of het opladen van het apparaat zelf (geladen-apparaatmodel). Studies hebben aangetoond dat de meeste elektrostatische schade niet door mensen wordt veroorzaakt, maar eerder door het laden van het apparaat zelf, gevolgd door een ontlading op een object met een lager voltage.

Verder zijn er diverse manieren om apparaten te testen op hun reacties bij blootstelling aan vochtigheid. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen condenserende en niet-condensende vochtigheidstests. Bij een condenserende test wordt het apparaat gekoeld onder het dauwpunt in de testkamer, waardoor vocht zich ophoopt op het apparaat. Dit kan problematisch zijn als het apparaat niet goed is beschermd tegen waterinsijpeling, wat kan leiden tot kortsluitingen of elektrochemische migratie, waarbij metalen zoals koper in water oplossen en kristallen vormen die kortsluitingen veroorzaken. Dit is vooral belangrijk omdat de aanwezigheid van water de snelheid van deze migratie aanzienlijk verhoogt.

Voor een succesvolle test van de elektrochemische migratie is het essentieel om niet alleen te vertrouwen op conformale coatings voor bescherming tegen condensatie op de printplaten. Er moet altijd grondige vochtigheidstesting worden uitgevoerd, zodat de kans op corrosie of kortsluiting door tinnezen of andere elektrochemische effecten geminimaliseerd wordt. In een laboratoriumomgeving is het daarom cruciaal dat al het apparatuur goed geaard is, inclusief soldeerbouten en werkoppervlakken, om schade door elektrostatica te voorkomen.

Bij de evaluatie van de levensduur van apparaten kunnen de tests, zoals HALT, hoewel ze niet perfect zijn, bijzonder waardevolle gegevens opleveren. Door deze tests toe te passen kan men de levensduur van een apparaat snel en efficiënt inschatten zonder dat men het apparaat daadwerkelijk duizenden uren hoeft te testen. Het is van belang dat de tests niet alleen worden gezien als oppervlakkige simulaties, maar als een indicatie van de sterkte en betrouwbaarheid van het apparaat onder stressvolle omstandigheden.