​​Toss a Copper Coin to Your Witcher

Один из самых эффективных способов отвода тепла от горячих компонентов на печатной плате с плотным монтажом это copper coin.

Прежде чем передать тепло во внешнюю среду через конвекцию или теплоноситель, излишки нужно отвести от самого компонента. И если с корпусом типа TO-220 все просто, то для SMD компонентов остается не так много вариантов: увеличиваем площадь полигона на стороне монтажа или отводим излишнее тепло на другую сторону печатной платы переходными отверстиями.

Оба способа компромиссны: увеличивается площадь печатной платы и / или количество геморроя у технологов. Ведь нужно запаять компонент так, чтобы припой не стек в переходные отверстия и под термал-падом не образовались пустоты.

Если плата с плотным монтажом, нужно отводить много тепла и высокая стоимость допустима, то можно использовать технологию copper coin.

Copper coin называют медную вставку, которая запрессовывается в плату перед нанесением финишного покрытия. Ее устанавливают под фланец или термал-пад горячего компонента для переноса тепла на противоположную сторону печатной платы. Снять это тепло для дальнейшего рассеивания — дело техники.

Есть несколько ограничений:

— размеры вставки должны быть больше 2 × 2 мм, скругления радиусом > 0.5 мм на всех углах
— вставка должна быть выпуклой фигурой
— вставка может электрически соединяться только с наружными слоями печатной платы (можно запрессовывать вставку в металлизированный паз, но такой технологией владеют очень немногие производства)
— во вставке нельзя сверлить отверстия
— ДОРОГО 💰

Часто copper coin используется в сложных радиочастотных платах чтобы снимать тепло с полупроводников на выходе передатчика.

Насколько мне известно, мы первые в России использовали эту технологию в гражданском продукте. Вместе с производителем собрали все возможные проблемы: и вставку сделали Г-образной и заложили в дизайн соединение двух вставок через внутренний полигон 🤦🏻‍♂️. Но опыт был очень интересным. Не все производства могут сделать copper coin, если интересно кто может — пишите в личку, дам контакты.

В некоторых DC-DC драйверах есть такая функция как Diode Emulation.
Из даташита я как-то не особо понял для чего она нужна, поэтому вышел в интернет с этим вопросом.
Здесь краткий пересказ оригинальной статьи, в которой коротко и понятно объясняется что это такое.

​​Немощная защита от переплюсовки

Один из наших продуктов дошел до стадии запуска в серию и мы активно работали с производителем над стендом функционального тестирования. По условиям контракта мы предоставляли только тестовую спецификацию, а проектировать и изготавливать стенд должен был завод. Так устроено в автомобилке, но это тема отдельного поста.

В ходе наладки инженер производителя обнаружил странное: при переплюсовке (а это один из тестов) напряжение на шинах питания устройства, во-первых, звенело, а во-вторых — превышало максимальные уровни, допустимые потребителями. Например, на выходе 3.3В преобразователя было −0.46В, тогда как допустимое значение у большинства микросхем в системе −0.3В.

Со звоном мы быстро разобрались (кто угадает в комментариях в чем была проблема получит славу и почет), а вот от превышения приуныли.

С одной стороны все работало чудесно: для собственного успокоения мы переплюсовали два экземпляра на двое суток и убедились, что ничего не сгорело и все параметры в норме. И ведь понятно, что переплюсовка — это аварийный режим, тем более в автомобиле, тем более в электроавтомобиле; долговременно в таких условиях устройство работать не будет. Но все равно выпускать в серию дизайн с дефектом нельзя. Превышение допустимого значения даже на короткое время означает, что производитель микросхемы не гарантирует ее нормальную работу или отсутствие деградации. А значит, и мы не можем гарантировать нормальную работу всей системы.

Мы нашли и устранили причину: обратный ток протекал через линии управления интегральными силовыми ключами. Увеличили последовательные резисторы в этих линиях — уменьшили ток и напряжение, стекающее на шины питания через защитные диоды.

Теперь при запуске любого нового девайса у нас есть обязательный этап: измерить напряжения на плате при подаче обратной полярности.

Кстати.

Возвращаясь к посту про референсы, от которого у многих бомбануло: исходная схема полностью соответствовала рекомендациям производителя силового ключа. Я не буду делать никаких выводов, сделайте их сами.

Конспектирую книгу Eric Bogatin "Practical Guide to Prototype Breadboard and PCB.Design"

Какие бывают виды шумов:
1. Шум из-за отражения
Представляет собой звон на цепи приемника (например Rx), вызванный отражением сигнала.
Отражение возникает из-за несогласованного импеданса. Происходит, когда цепь является электрически длинной линией передачи.
Т.е. ее физическая длина больше, чем длина волны, которая по ней распространяется.

2. Cross talk
Шум, который возникает из-за "агрессивных" цепей.
Грубо говоря, в данном типе шума можно выделить две цепи: цепь-агрессора и цепь-жертвы.
На агрессоре может быть, например сигнал с быстрым изменением фронта, из-за чего помехи передаются на рядом идущую цепь-жертву.
Возникают из-за электрических и магнитных полей.
В длинных линиях этот шум может быть разным в разных точках цепи. В коротких линиях - он везде одинаков.

3. Отскок от земли
Возникает, когда по земле протекают токи от нескольких источников сразу.
Если при этом земля имеет большую индуктивность или сопротивление, то происходит скачок напряжения.

4. Ухудшение времени нарастания сигнала
Происходит только при очень коротком времени нарастания или очень длинной линии.
Заключается в том, что на приемнике время нарастания становится больше, чем на источнике.
Эмпирическое правило гласит, что возникает, если длина цепи в сантиметрах > в 40 раз времени нарастания в нсек.

5. Падение на шине питания
Происходит, когда напряжение на шине питания проседает из-за резкого увеличения потребления тока.
Например, микросхемой, которая генерирует перключение сигнала.
Происходит из-за индуктивности шины питания и уменьшается за счет размещения развязывающих конденсаторов по питанию около микросхем.

6. Электромагнитные помехи
Возникают, когда излучение ближнего поля цепи становится излучением дальнего поля.
Т.е. увеличивается ширина этого излучения.
Возникают, если цепь возвратного тока находится далеко от основного сигнала.

В западных вакансиях в разделе требований иногда проскакивает DFM (Design for manufacturing). Трассировка плат для серийного производства, если по русски. Думал, что там какие-то особенные требования, но если верить этой статье, то 90% требований можно свести к «нормально задайте правила и будет DFM».
К остальным 10% можно отнести «кислотную ловушку», «баланс меди», «L-comp», «tabbed routing». И то, последние два пункта скорее про разработку, а не подготовку к серийному производству.
Тем не менее, мне все равно продолжает казаться, что есть ещё в DFM какие-то тонкие моменты, не описанные здесь.

На Хабре кроме интересных статей бывают не менее интересные обсуждения в комментариях. Что, например, оказалось самым обсуждаемым в статье про DFM? Микроконтроллеры с возможность произвольно менять функционал пинов! (Это чтоб перепутанные Rx Tx можно было исправлять программой, а не скальпелем).
Ещё бывают забавные срачи и высокоинтеллектуальные оскорбления.
Один чувак сказал, что трассировка это изи и она сводится к копированию референсов от производителя. Кто-то с ним не согласился😂

ERIC BOGATIN
Practical guide to prototype breadboard and PCB design
3.7 Net Classes and Interconnect Problems

Электрическая схема ничего не говорит нам о целостности сигнала или его качестве. Мы видим просто линии соединения.
Чтобы описать рекомендации по трассировке сигнальных дорожек, нужно классифицировать порблемы, которые могут возникнуть.

Обычная сигнальная дорожка (default signal trace)
Рекомендуется делать узкой настолько, насколько позволяют стандартные технологические возможности производителя печатных плат, без удорожания платы.
Обычно это 0.15мм и 0.6мм диаметр переходного отверстия. Такая дорожка может выдержать до 1А постоянного тока. Также следует сделать непрерывный путь для возвратного тока (земли), чтоб минимизировать шум "отскока земли" (ground bounce).

Обычная силовая дорожка (default power path)
К этим дорогам относятся обычные дорожки по питанию до 3А постоянного тока. Их можно делать шириной 0.5мм. Рекомендуется ставить блокировочные конденсаторы рядом с силовыми пинами микросхемы, чтоб уменьшить шум на шине питания при переключении сигнала.

Силовая дорожка с большим током (high current power net)
При токе более 3А следует вести дорожку с расчетом, чтоб перегрев был не более 20 градусов.

Дорожка с контролируемым импедансом (controlled impedamce net)
Контроллировать импеданс необходимо, когда длина дорожки больше, чем длина волны сигнала (т.е. время нарастания сигнала очень короткое, а длина дорожки - большая). Из-за этого могут возникнуть помехи из-за отражения сигнала от конца линии. Чтоб их снизить, необходимо контроллировать импеданс цепи.

Дорожки, чувствительные к геометрии топологии (routing topology sensitive net)
Цепи, в которых на сигнал может влиять не только импеданс, но и например ответвления.

Дорожки, чувствительные к перекрестным помехам (cross talk sensitive net)
Дорожки, расстояние между которыми будет влиять на возникновение шумов и помех, передаваемых от дорожки-агрессора на дорожку-жертву.

Дифференциальные пары (differential pair)
Дорожки, которые имеют все вышеперечисленные проблемы для сигналов с одним концом и дополнительную проблему согласования длины двух дорожек диф. пары.

Высокоскоростные последовательные цепи (high-speed serial net)
Обычно тоже диф. пара со всеми своими проблемами, но в добавок нужно еще заботиться о потерять в проводнике и в диэлектрике. Из-за этих особенностей увеличивается время нарастания сигнала. Применимо к цепям со скоростью передачи больше 1Гбит и длиной более 24 см.

Дорожки, чувствительные к разрыву (discontinuity sensitive net)
Дорожки, в которых есть небольшой участок без контроля импеданса (переходное отверстиие, терминатор, блокирующий конденсатор, тест поинт и т.п.), который влияет на самоотражение. Играет роль при ширине полосы пропускания сигнала > 1 ГГц.

Если межсоединения сделаны без учета этих возможных проблем или не предпринимались шаги для их минимизации, сигнал на приемнике может быть сильно искажен.

Понадобилось мне тут посчитать динамические потери транзистора в уже изготовленном прототипе.
Это такие потери, которые обусловлены временем открытия транзистора.
Грубо говоря, пока напряжение на затворе нарастает от 0В до Uоткрытия, проводимость транзистора меняется от ∞ Ом до 0 Ом. Ток начинает протекать → на большом сопротивлении рассеивается большая мощность → транзисторы греются.
Измерил время нарастания, время спада, подставил в формулу - получил 23 Вт.
Цифра запредельная. Обычно при 2Вт перегрев 100 °C, а при 23Вт должен быть 100500°C, чего по факту не наблюдается.
Пересчитывал, искал другие формулы, но 23Вт и всё тут, хотя транзистор в корпусе 5x6mm и от такой мощности давно бы испарился.
Подозрение пало на время нарастания и время спада. Они были по 600нс и почему-то мне показалось это подозрительным. То ли потому что в даташитах пишут цифры 10 - 20 нс, то ли в какой-то статье с примером расчета была цифра в 5 нс. Измерил может быть с ошибкой.
Полез перемерять, но всё оказалось правильным. Ровно 600 нс.
Позвал на помощь коллегу, начали тыкаться вместе и в какой-то момент вижу, что два щупа осциллографа, находясь в одной и той же точке показывают разный сигнал.
Как на картинке ниже.
Оказалось, что на одном канале была включена high-pass фильтрация, отсюда и разница в сигнале.
Хорошо, что был работающий прототип, который не дал из-за такой глупой ошибки уйти в дебри неправильных расчётов😉

Как-то читал, что в среднем людей можно разделить на два типа: условные "либералы" и условные "консерваторы".
В этой классификации всё действительно условно, но если обобщить, то получится что "либералы" больше открыты к каким-то изменениям, а "консерваторы" - наоборот. У них внезапные перемены вызывают отторжение.
Я это вспомнил потому что благодаря этой статье нашел интересный способ проверить, является ли опытный электронщик "либералом" или "консерватором".
Для этого достаточно ему сказать, что правило использования трех конденсаторов для фильтрации питания - давно уже не актуально и не работает.
Шок. Ужас. Как так? Что ты несешь? Всю жизнь так делали и всё работало!

Суть правила в том, что для лучшей фильтрации всех частот в шине питания надо поставить три конденсатора номиналом 0.01мкФ, 0.1мкФ и 1мкФ. Дескать 0.01мкФ фильтрует частоты повыше, а 1мкФ - пониже.
Очень простое и широко используемое правило. Популярное, наверное, как раз из-за простоты.
Оно берет своё начало с тех времен, когда в ходу были керамические выводные конденсаторы.
Выводные керамические конденсаторы разного номинала имеют разный размер и как следствие разную последовательную паразитную индуктивность.
А именно она и определяет импеданс конденсатора на высоких частотах.
Сейчас время, когда повсеместно используются керамические SMD конденсаторы (MLCC), а у них корпуса плюс минус одинаковы. Поэтому что один конденсатор стоит, что три - импеданс на высоких частотах одинаковый.
Все подробности и расчёты приведены в статье.

Окей, правило трех конденсаторов не актуально, а что тогда делать? Что ставить вместо этих трех?
Я ждал ответ на этот вопрос на протяжении всего чтения. Какое-нибудь такое же простое правило, только адаптированное под современные реалии, мол "ставьте один номиналом 4.7мкФ и будет счастье".
Но к сожалению, в разработке "универсальные" правила весьма условны. То что работает в одном случае, может не работать в другом.
Поэтому надо "надевать шляпу инженера" и считать. Считать какие частоты могут проскакивать по твоей шине питания и исходя из этого подбирать фильтрацию.
Звучит сложно и непонятно, поэтому проще по старинке поставить старые добрые 0.01мк, 0.1мк и 1мк, авось и в этот раз всё будет работать.

Александр Борисов решил поделиться своей презентацией на тему того, как разработка электроники превращается в полноценное производство.
Она будет полезна для систематизации знаний о производстве электроники и для разработчиков, которые не хотят ограничиваться схема-плата-отладка-молодец.

Отдельно хочется отметить необычный подход, где от простой разработки схемы процесс разработки постепенно усложнятся, усложнятся и усложняется. Вышло очень наглядно и понятно.

Неделю назад на выездном московском Эмбеддед баре рассказал про то, какие еще есть этапы в разработке продукта кроме самых очевидных. Обычно материалы с этого мероприятия не публикуются, но я решил по быстрому сделать онлайн версию презентации. Тут не будет шутеек, анекдотов и метких панчей — за этим приходите в следующий раз лично — но, может, кому-то пригодится.

Немного об Anti-Aliasing Filter, что это и для чего оно вообще нужно