Diseño

Diseño Funcional

Elementos para función electrónica

Esquematico del equipo

Pasos:

  • Especificaciones generales
  • Division en bloques
  • Especificaciones y sintesis de cada bloque
  • Simulacion

Diseño Fisico

Paso de componentes virtuales a componentes reales

Selección tecnología, componentes y otros elementos

Diseño de circuitos impresos, interconexiones…

Consideraciones de diseño: detectar puntos críticos:

  • Consideraciones electricas
  • Consideraciones mecánicas
  • Consideraciones térmicas.

Consideraciones Eléctricas

Hipótesis: conexión ideal

  • Material conductor único e ideal.
  • Propagación instantánea.
  • Circuito aislado del exterior.

Casos a estudiar de consideraciones eléctricas:

Voltajes termoeléctricos:
  • Entre dos voltajes diferentes existe una diferencia de potencial.
  • V = Q(T1-T2) Coeficiente de Seebeck(0.1-100uV)
  • Problema cuando: Metales diferentes, Temperaturas diferentes.
  • Afecta: Señales bajo nivel, variación lenta DC
  • Solucion evitar Incremento temperatura.
Interferencias:

Señal agresora (1) modifica a señal (2) vícitima.

  • Efecto de radiaciones EM externas
  • Radiacion EM emitida
  • Interferencias internas
Casos de interferencias:
  • Acoplamiento por impedancia común
    Origen: la corriente agresora circula por mi circuito.
    Depende de la magnitud y frecuencia de I y el valor de Z
    Evitarlo: Z comun en señales,  I por Z comun, con condesadores de desacoplo
    Circuito multicapa con capas +Vcc y GND.Separar masas.
  • Diafonía: Iteracción entre dos conductores próximos:
    • Capacitiva.
      Solución: apantallamiento: una pantalla puesta a masa (al menos)
    • Inductiva
      Solución: Bajar M (acercar hilos a tierra, alejar agresor-victima)
      Apantallamiento, por el cual se lleva el camino de retorno de la corriente.
      En circuiots impresos: facilitar el camino de retorno(venaja multicapa)
      Cables planos: retorno por hilo adyacente.
  • Acoplamiento Campos externos – circuito víctima.
    • Campo E sobre conductor: siempre se induce una corriente
      -Solución => apantallamiento: camino hasta tierra; conexiones sin resistencia
      ¿ranuras? pequeñas frente a lambda; Jaula de Faraday
      -Cables que salen del recinto: Apantallamiento;Filtros.
      -Filtros: impedir que i llegue al circuito
      -Filtro de red: 2 hilos: modo común y diferencial
      -equipo: baja Z frente a modo diferencial; alta Z frente a modo común
      correcta posición del filtro.
    • Campo H sobre bucle:
      componente H de campo EM: jaula de Faraday
      Campos H no EM:
      HDC y próximos a la fuente; H internos
      Solución: H externos: apantallamiento magnético, materiales de alto m: mumetal, permalloy, supermalloy.
      H internos : evitar campos; apantallamiento .
Señales rápidas: Líneas de transmisión

Longitud física de las interconexiones:

  •  tiempo de propagación de la señal; capacidad de la línea; autoinducción de la línea.
  • -velocidad de propagación=> raiz(LC)
  • -longitud de flanco de subida
  • -línea “corta”

Reflexión en discontinuidades

  • -Z característica Z0 = raiz (L / C)  [Ω]
  • -la línea “carga” al generador v = v0 · Z0 / (Zout + Z0)
  • -si no hay acoplo de impedancias: reflexión R = (ZL – Z0) / (ZL + Z0) = vreflejada / vincidente
  • -señal reflejada “viaja” en sentido contrario v(x, t) = vreflejada(x, t) + vincidente(x, t)
  • -señal reflejada llega a 0 y se vuelve a reflejar

Soluciones:

  • tiempo de propagación: hacer las líneas “cortas”;calcular el retraso introducido por las  conexiones; utilizar líneas de retardo;
  • reflexiones: hacer las líneas “cortas”; acoplar impedancias en un extremo (al menos); Atención a las discontinuidades

Consideraciones Mecánicas.

Esfuerzos mecánicos=> roturas y fallos eléctricos.

diferentes esfuerzos=> difrentes requisitos de diseño.

Tipos de esfuerzos:

  • Choque: aceleración momentánea de alta intensidad.
    -Alta aceleración => alta fuerza (F = m · a)
    -Peligro: F > resistencia elementos de sujeción: componentes o subsistemas grandes; terminales pequeños (SMT)
    – Soluciones: reforzar soldaduras; añadir puntos de soldadura extra; añadir elementos de sujeción
  • Vibración: aceleración sinusoidal continuada de baja intensidad.
    – Aceleración (y fuerza) pequeñas
    – Peligro: Resonancia: desplazamiento muy grande (choques entre placas vecinas), tensiones en componentes, falsas conexiones en conectores, fatiga.
    – Solución: aumentar w0 para que w0 » w
    w0 función de la masa:  –m => +w0 ­//w0 función del tamaño: –D =>+ w0 ­ // w0 función de la forma de sujeción: w0 borde fijo > w0 borde apoyado// w0 apoyo en tres lados > w0 apoyo en dos lados // apoyo en puntos centrales => +w0­ // refuerzo de placas + w0 ­
  • De origen térmico: dilatación no uniforme
    Dilatación: elongación
    Dilatación no homogénea => Esfuerzo mecánico
    – Material uniforme con diferencias de temperatura
    PCB con gradiente de temperatura
    Eiferencia en elongación: curvatura: 1/R = (e1 – e2) / espesor
    Materiales diferentes con temperatura uniforme
    Diferentes materiales en PCB: Resina + fibra de vidrio (xy)//Resina + fibra de vidrio (z)// Cobre   Cerámica (SMT)

Consideraciones Térmicas

Equipos electrónicos generan calor=> incremento de temperatura => fallo componentes

Formas de eliminar calor:

Conducción:

a través de medio material;sin movimiento de partículas.

1er método de transporte de calor

  • El calor va de puntos de mayor a menor temperatura Q = – k · A · dT
  • Equivalente eléctrico – térmico:DT  « DV diferencia de potencial// Q  « I flujo de carga =  intensidad de corriente// k  « σ conductividad eléctrica//Rth, Cth resistencia y capacidad térmicas
  • Simuladores eléctricos
  • Valores de conductividad térmica
    • Metales: altos Cu//Ag//Au
    • Sn soldadura:
    • Aislantes: bajos (salvo excepciones) PCB (epoxy + fibra de vidrio)/Aire/Alúmina (Al2O3) :           
Convección:

a través de fluido;con movimiento de partículas.

2º método de transporte de calor: de la superficie al “fluido“ (y al exterior)

El calor es arrastrado por un fluido:

El fluido se desplaza sobre la superficie

  • velocidades diferentes
  • temperaturas diferentes

Q = h · A · (Ts – Tf ) // Q: flujo de calor [W = J s-1]//h: coeficiente de transferencia de calor [W ºC-1 m-2] depende mucho del tipo de fluido; depende de la velocidad y dirección del fluido; depende del material y la forma de la superficie

Tipos de convección:

  • convección natural: incr(T)=>Incre(δ)=> movimiento aire
  • convección forzada (ventilador)
Radiación:

sin medio material; radiación EM que se propaga.

El calor es emitido en forma onda electromagnética

Q = e · A · σ · T 4

Poco importante en equipos electrónicos (<>

Diseño térmico:

En función de W/m2 tipo de convección:

  • Disposición de componentes “calientes” y “fríos
  • Modelado y observación
  • Simulación

Otras consideraciones:

Diseño para Fabricación (DFM), Pruebas (DFT),Calidad (DFQ), robusto, Fiabilidad. (FMEA) ,medio ambiente o diseño verde – Ecodiseño,reciclaje,facilidad de uso. Ergonomía, mantenimiento y servicio, flexible, internacionalización.