Wanneer we ontwerpen voor robuuste hardware die bestand is tegen de uitdagingen van tests en fouten tijdens het opstarten van een PCB, is circuitbescherming niet alleen essentieel voor het doorstaan van certificeringstests, maar ook voor het waarborgen van een lange levensduur en betrouwbaarheid van het ontwerp. Dit omvat bescherming tegen elektromagnetische interferentie (EMI), overvoltage-gebeurtenissen, en elektrostatische ontlading (ESD). In deze context is het belangrijk om niet alleen de juiste beschermingscomponenten te kiezen, maar ook om te begrijpen hoe en wanneer ze het beste kunnen worden toegepast.

De keuze voor een krimptool bijvoorbeeld, kan aanvankelijk eenvoudig lijken, maar het is essentieel om de juiste gereedschappen te gebruiken voor de specifieke draadmaat. Verschillende draadmaten, zelfs binnen dezelfde connectorfamilie, vereisen soms verschillende gereedschappen. Dit maakt het noodzakelijk om te controleren of de gekozen tool geschikt is voor het type draad waarmee gewerkt wordt, wat vaak vergeten wordt bij het plannen van een ontwerp. Het is ook nuttig om betrouwbare bronnen te raadplegen, zoals de website van Matt Millman, die uitgebreide informatie biedt over connectoren en krimpgereedschappen.

De bescherming tegen elektromagnetische interferentie (EMI) speelt een belangrijke rol in het minimaliseren van storingen die de functionaliteit van elektronische circuits kunnen verstoren. EMI-filters zijn hiervoor cruciaal, maar het is belangrijk om te weten dat zelfs het kiezen van het juiste filter geen garantie biedt voor succes als het verkeerd wordt geïntegreerd in het ontwerp. EMI-filters moeten alleen worden toegevoegd wanneer ze daadwerkelijk noodzakelijk zijn, wat kan worden vastgesteld door berekeningen of metingen. Anders wordt de kostenstructuur van de bill of materials (BOM) onnodig verhoogd zonder echte voordelen.

Er zijn twee hoofdopties voor EMI-filters: single-pole en multipole filters. Een veelgebruikte vorm van single-pole filtering is de feed-through condensator, die de hoogfrequente signalen effectief naar de grond leidt zonder inductantie van de bedrading te veroorzaken. Deze condensatoren worden vaak op kritieke overgangen van een beschermde behuizing naar buitenomgevingen toegepast. Daarnaast kunnen drie-terminal condensatoren ook worden gebruikt, vooral wanneer er grenzen tussen afschermingen op een PCB moeten worden overschreden. Multipole filters, zoals Pi- of T-filters, kunnen ofwel kant-en-klaar worden gekocht of zelf worden ontworpen, afhankelijk van de specifieke eisen van de toepassing.

De keuze van het juiste filter wordt verder bepaald door de impedantie-eisen van het ingangssignaal. Filters met een inductor als eerste element zijn geschikt voor signalen met een lage impedantie (minder dan 100 ohm), terwijl filters met een condensator als eerste element de voorkeur hebben bij hogere impedanties. In beide gevallen is het belangrijk om de prestaties van het filter over de frequenties in het datasheet te bekijken om te verzekeren dat het filter effectief werkt voor de beoogde applicatie.

Daarnaast moet bij het ontwerp van EMI- en ESD-beschermingssystemen altijd de grond van de behuizing als referentiepunt worden genomen, en niet de PCB-ondergrond. Dit is cruciaal om te zorgen dat de beschermingscomponenten effectief hun werk kunnen doen. In het geval van plastic behuizingen, die vaak in consumentenelektronica worden gebruikt, kan het veel moeilijker zijn om de EMI en ESD goed te controleren. Het gebruik van metalen behuizingen is sterk aan te bevelen, vooral voor producten die moeten voldoen aan strenge EMI-normen, zoals medische apparaten.

Wat betreft ESD-bescherming, is het belangrijk om te begrijpen dat elektrostatische ontladingen een ernstige bedreiging kunnen vormen voor de integriteit van elektronische circuits. ESD kan optreden wanneer een object met een hoog potentiaal in contact komt met een PCB. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren wanneer een gebruiker de elektronica aanraakt na het opladen van zichzelf door over een tapijt te lopen. De piekspanning kan oplopen tot duizenden volts en kan schade veroorzaken aan gevoelige componenten. Daarom is het essentieel om ESD-dioden te gebruiken, die snel reageren op deze hoge spanning en de energie snel naar de grond afvoeren. Bij het kiezen van ESD-dioden is het belangrijk om te letten op de capaciteitswaarde, omdat een te hoge capaciteit de prestaties van het signaal kan beïnvloeden. Voor toepassingen waarbij lage capaciteiten vereist zijn, zoals medische apparaten, zijn polymeren ESD-componenten een goede keuze.

De integratie van deze beschermingsmaatregelen moet altijd zorgvuldig worden uitgevoerd om onbedoelde storingen of inefficiënties te voorkomen. Elk ontwerp vereist een gedetailleerde afweging van de potentiële risico's en de juiste keuze van componenten op basis van de verwachte omgevingsomstandigheden en het gebruik van het apparaat. Het toevoegen van de juiste beschermingssystemen in de beginfase van het ontwerp zorgt niet alleen voor een robuust eindproduct, maar voorkomt ook dure aanpassingen na de productie.

Hoe kies je de juiste voedingscomponenten en microcontroller voor je ontwerp?

Bij het kiezen van de juiste onderdelen voor een voedingscircuitsontwerp, met name bij het gebruik van Schakelende Mode Voedingssystemen (SMPS) en Lage Doorlaatspanning Regulators (LDO's), is het van groot belang om verder te kijken dan alleen de technische specificaties. Hoewel fabrikanten vaak de nadruk leggen op de kleine formaten van hun IC-pakketten, wordt de benodigde inductantie vaak over het hoofd gezien, wat de werkelijke afmetingen van het ontwerp beïnvloedt. Dit kan leiden tot meer rimpel op de voeding dan gewenst, vooral door het schakelen van de inductoren. Het is dus essentieel om de juiste condensatoren te selecteren om de prestaties zoals beschreven in de datasheet te bereiken. Het aantal, type en plaatsing van de condensatoren speelt een cruciale rol in de kwaliteit van de uitgangsspanning van een SMPS. Wanneer rimpel van belang is, moet de datasheet van het onderdeel grondig worden gecontroleerd en is het noodzakelijk te zorgen voor acceptabele prestaties, zelfs na lichte derating.

Bij het ontwerpen van een circuit met een DC/DC-converter is het belangrijk de applicatienotes van de fabrikant strikt te volgen, maar ook te beseffen dat de voorgestelde configuraties niet altijd de optimale oplossing bieden. Bijvoorbeeld, het toevoegen van een snubber-circuit kan helpen bij het verminderen van elektromagnetische interferentie (EMI), maar zal de efficiëntie van de converter verlagen. Het volgen van de aanbevolen opstellingen uit de datasheet is vaak een goed uitgangspunt, maar met voldoende kennis is het mogelijk deze aan te passen om de efficiëntie of prestaties te verbeteren.

LDO’s, ofwel lage doorlaatspanningsregelaars, kunnen bijzonder nuttig zijn wanneer rimpel op de uitgangsvoeding een probleem is. Ze kunnen niet alleen de rimpel van een SMPS verminderen, maar ook de hoeveelheid benodigde uitgangencondensatoren verlagen. Bij het kiezen van een LDO is het belangrijk om te zorgen dat deze is geconfigureerd voor lage rimpel en een hoge voedingsonderdrukking (PSRR). Dit kan helpen om de effecten van voedingsoverlast, veroorzaakt door lange kabels of andere storingen, te minimaliseren. LDO's functioneren het efficiëntst wanneer de ingangsspanning net boven de vereiste uitgangsspanning ligt, aangezien een hogere spanning overbodige warmteverlies veroorzaakt.

Veel voedingen bevatten een thermische uitschakelfunctie die het IC uitschakelt wanneer de interne temperatuur te hoog wordt. Dit is een veiligheidsoverweging en is bedoeld om schade aan de schakeling te voorkomen, maar het is belangrijk te begrijpen dat frequente activering van deze functie wijst op een onbetrouwbare werking en kan leiden tot inefficiëntie van de voeding. Een andere nuttige functie is de 'power good' pin, die kan worden gebruikt om een LED aan te sturen of een microcontroller te activeren om storingsomstandigheden te detecteren en de juiste actie te ondernemen.

Bij het selecteren van een microcontroller is het van essentieel belang de juiste ontwikkelingsomgeving te kiezen. Voordat je een microcontroller kiest, kun je het beste een ontwikkelbord kopen om de werkelijke ervaring te krijgen bij het ontwikkelen van de code en om een gevoel te krijgen voor het gemak of de moeilijkheid van de ontwikkeling. Het is ook handig om te praten met iemand die ervaring heeft met de microcontroller die je overweegt. Deze kan je helpen om de marketingclaims te doorzien en je inzicht geven in de werkelijke ontwikkelervaring.

Het lezen van de errata van de fabrikant is ook een must. Dit document bevat informatie over bekende bugs of problemen met de chip en kan je veel tijd besparen bij het oplossen van problemen. Het kan zelfs voorkomen dat je een ander onderdeel moet kiezen als de problemen te ingrijpend zijn.

Een belangrijk aspect bij het kiezen van een microcontroller is het zoeken naar een chip die zoveel mogelijk van de vereisten al bevat. Bijvoorbeeld, in plaats van een extern Ethernet IC te gebruiken, kan het voordeliger zijn een microcontroller te kiezen die ingebouwde Ethernet-functionaliteit heeft. Dit bespaart kosten op de bill of materials (BOM) en vermindert de complexiteit van het ontwerp. Verder is het belangrijk om rekening te houden met de verschillende communicatieprotocollen die de microcontroller ondersteunt, zoals USB, I2C, SPI, USART, en UART. Het kiezen van een chip met meerdere poorten van de benodigde protocollen kan ontwikkeltijd besparen en zorgt voor betere prestaties.

Bij het kiezen van de juiste geheugenconfiguratie voor je ontwerp, is het belangrijk om een schatting te maken van de benodigde hoeveelheid RAM en niet-vluchtig geheugen (zoals Flash). Als je microcontroller niet voldoende geheugen heeft, kun je extern geheugen toevoegen, zoals SPI EEPROMs, die aanzienlijke hoeveelheden data kunnen opslaan.

Tot slot, voordat je een microcontroller kiest, is het raadzaam te kijken naar de software-ontwikkelomgevingen die worden aangeboden. Sommige fabrikanten bieden goedkope of zelfs gratis ontwikkeltools, maar het is cruciaal om de kwaliteit van de voorbeeldcode en bibliotheken te controleren. Veel ontwikkelaars ervaren dat de code van de fabrikant gebrekkig kan zijn, wat de ontwikkeling bemoeilijkt. Het kan soms voordeliger zijn om open-source tools of derde partij IDE's te gebruiken die een betere ondersteuning bieden voor bepaalde microcontrollerfamilies.

Naast de technische specificaties van de componenten is het belangrijk te begrijpen dat de keuze van componenten niet alleen afhankelijk is van hun individuele prestaties, maar ook van hoe goed ze samenwerken in het systeem. Het bereiken van de beste resultaten hangt af van het zorgvuldig balanceren van de vereisten voor rimpel, efficiëntie, thermisch beheer en geheugenvereisten. Elk ontwerp heeft zijn eigen set uitdagingen, en vaak is het aanpassingsvermogen en de ervaring met de componenten die de uiteindelijke prestatie bepalen.

Hoe ontwerp je voor betrouwbaarheid en EMC-regelgeving in elektronica?

Bij het ontwerpen van elektronische producten, vooral wanneer ze in massaproductie gaan, is het essentieel om vanaf het begin na te denken over de betrouwbaarheid van het ontwerp. Dit geldt niet alleen voor de elektrische prestaties van het product, maar ook voor de productieprocessen en kwaliteitscontrole. Eén van de belangrijkste aspecten van betrouwbaar ontwerp is het zorgen voor een systematische manier van testen en inspecteren, zodat potentiële problemen vroegtijdig kunnen worden opgespoord. Een voorbeeld van een oplossing voor het meten van RF-signalen zonder storingen aan de transmissielijn is het gebruik van een zogenaamde "coupler". Dit is een strip die parallel loopt aan de transmissielijn, zodat een deel van het signaal wordt gekoppeld zonder de transmissielijn zelf te verstoren. Dit zorgt voor een betrouwbare meting van een lagere-amplitudesignaal zonder extra componenten. Met behulp van online rekentools kan men de juiste lengte en scheiding voor een gekoppelde lijn berekenen, of men kan simulaties uitvoeren met tools zoals Keysight ADS.

Er bestaan ook speciale RF-connectors, zoals die van Murata, die het testen van RF-circuits eenvoudiger maken. Deze connectors kunnen eenvoudig in serie met een transmissielijn worden geplaatst en functioneren als een korte schakeling wanneer ze niet met een kabel zijn verbonden. Bij aansluiting van de kabel wordt een klein schakelmechanisme geactiveerd, waardoor de connector de kabel verbindt en de uitgang loskoppelt. Deze connectors zijn geschikt voor gebruik tot 6 GHz, en sommige varianten zijn zelfs geschikt voor tot 12 GHz. De verliezen bij het inbrengen van deze connectors zijn meestal laag, maar kunnen oplopen tot 1,8 dB, afhankelijk van het type.

Naast de elektrische aspecten speelt de kwaliteit van de printplaat (PCB) een grote rol in de betrouwbaarheid van een product. Het is van cruciaal belang om dezelfde PCB-fabrikant te kiezen voor zowel de prototypes als voor de uiteindelijke productie. Het bouwen van een productie-PCB bij een fabrikant zonder eerst prototypes bij hen te hebben getest, kan ernstige problemen veroorzaken. Er zijn gevallen waarbij PCB-fabrikanten met onbetrouwbare processen hebben geleid tot defecten die pas later, tijdens het gebruik, aan het licht kwamen. Het controleren van prototypes is daarom van essentieel belang: let hierbij op zaken als de nauwkeurigheid van de via-holes en de afwerking van de koperlagen.

Een ander betrouwbaarheidsprobleem dat vaak over het hoofd wordt gezien, zijn tinnen whiskers. Deze minuscule filamenten van 0,5 tot 10 micron breed en tot 1 cm lang kunnen uit tin-gecoate oppervlakken groeien en kortsluitingen veroorzaken. Dit fenomeen heeft zelfs geleid tot het falen van computersystemen in verschillende NASA-missies. De exacte oorzaak van de vorming van tinnen whiskers is nog steeds niet goed begrepen, maar er zijn methoden om hun groei te verminderen, zoals het gebruik van conformal coatings en het vermijden van puur tin of zink. Wanneer mogelijk, is het aan te raden om ENIG-plating (Electroless Nickel Immersion Gold) te gebruiken, hoewel dit ook extra verliezen kan veroorzaken bij hoge frequenties, vooral voor RF-sporen.

Daarnaast kunnen connectors ook problemen veroorzaken met de PCB zelf. Bij gebruik van doorvoerkoppelingen van 50 mil op meerlagige borden met een brede glasweving, zoals de veelgebruikte 7628-weving, kunnen er interne scheidingen optreden wanneer de gaten worden geboord. Dit kan leiden tot het binnendringen van koper tussen de lagen, wat kan resulteren in kortsluitingen, zelfs nadat de PCB de elektrische tests heeft doorstaan. Dit type falen kan zeer ernstig zijn en zelfs tot brand leiden, zoals in een aantal gedocumenteerde gevallen.

De afwerking van de PCB is een ander cruciaal element voor zowel de assemblage als de betrouwbaarheid. De meest populaire afwerkingen zijn ENIG, HASL (Hot Air Solder Leveling) en OSP (Organic Solderability Preservative). ENIG heeft de voorkeur vanwege de vlakke afwerking, wat de montage vergemakkelijkt, maar is duurder en kan soms last hebben van corrosieproblemen. HASL is goedkoop en veelgebruikte, maar heeft enkele nadelen, zoals ongelijkmatige afwerking en de aanwezigheid van lood. OSP is goedkoper en biedt voordelen qua vlakheid, maar heeft een korte houdbaarheid en is gevoelig voor beschadiging.

Bij de keuze van afwerkingen moet rekening worden gehouden met de specifieke eisen van het ontwerp. In sommige gevallen kunnen alternatieven, zoals hard goud of ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold), nodig zijn, maar deze zijn vaak duurder en kunnen specifieke nadelen hebben, zoals slechtere soldeereigenschappen. Daarom is het belangrijk om een weloverwogen keuze te maken die past bij zowel de kosten als de technische vereisten van het ontwerp.

Ten slotte is het van groot belang om het ontwerp van het product niet alleen te zien als een technische uitdaging, maar ook als een proces waarbij de productiemogelijkheden en de langetermijnbetrouwbaarheid vanaf het begin in de overwegingen worden meegenomen. DFx (Design for Excellence) speelt hierbij een sleutelrol. Het doel van DFx is om te anticiperen op de manier waarop een product wordt geproduceerd, getest en uiteindelijk gebruikt, zodat het product optimaal presteert en betrouwbaar blijft gedurende zijn levensduur.

Wat zijn de implicaties van de politieke en diplomatieke keuzes rondom COVID-19 en China?
Wat zijn de nieuwste ontwikkelingen in twee-fotonen fotoinitiators voor 3D-printen?
Hoe Seksuele Schandalen het Nationalisme en de Presidencialisme Beïnvloeden: Een Analyse van Trump’s Morale Schandalen
Hoe Covariantie Afgeleiden de Geometrie van de Ruimte Bepalen
Hoe Aanvallen op de Pers en Wetgeving de Vrijheid van Meningsuiting in de VS Beïnvloeden