Optimiser les performances des composants grâce aux règles de conception intégrées

June 25, 2018

embedded design rules

Source de l'image: utilisateur Flickr nic_r  (CC BY 2.0)

 

Je me souviens de ma première conception de circuit imprimé à avoir échoué son test de qualification. C'était une conception éprouvée qui avait déjà passé d'autres tests de qualification. J'étais donc surpris d'apprendre par mon supérieur que mon test avait échoué. La rumeur disait qu'elle avait « pris feu ». Il est rare qu'un circuit électronique s'enflamme à proprement parler - il est plus probable qu'il dégage un peu de fumée. Quoi qu'il en soit, la trace de brûlure sur mon circuit imprimé était parlante : l'un des transistors avait surchauffé jusqu'au point de partir en fumée. Mais comment cela était-ce possible ? Il s'agissait d'une conception éprouvée. Qu'est-ce qui avait changé ?

Après analyse, il s'avérait que le circuit était identique. Les composants étaient identiques, les entrées et les sorties étaient identiques, même le lot et le fabricant étaient identiques. La seule chose qui avait été changée était le routage. Lorsque j'avais dessiné cette carte, j'avais dû ajuster sa forme pour qu'elle puisse s'adapter à une partie de l'assemblage mécanique. Le cuivre qui entourait le transistor d'alimentation faisait, à l'origine, environ un pouce carré. Pour cette conception, il mesurait un tiers de la taille d'origine. En raison de restrictions spatiales, les autres composants d'alimentation du circuit étaient placés plus près les uns des autres que dans l'idéal. Ces deux facteurs ont provoqué une chaleur trop élevée, que la petite quantité de cuivre n'a pas pu dissiper, contribuant, au final, à la mort de mon transistor.

Dresser une liste des règles de conception pour quantifier les composants essentiels

Le transfert des connaissances est quasiment toujours la plus grande source de surcharge de travail et de perte de temps. Dans un monde idéal, tous les concepteurs prendraient des notes exhaustives pendant l'étape de conception pour conserver une trace. En réalité, cela arrive rarement car 1) c'est barbant et 2) les notes, ça se perd. Le hic, c'est qu'en théorie, il est plus efficace de réutiliser des conceptions éprouvées, mais si de nombreux paramètres de conception essentiels ont été omis, que ce soit en raison d'une mauvaise prise de notes ou d'un transfert des connaissances incomplet, alors vous allez perdre du temps à tâtonner et à vérifier les paramètres de conception. L'intégration de quelques règles de conception vous permettra d'éviter que des petits changements ne ruinent votre conception et vous économisera du temps pour les conceptions d'équipe. Voici les bons réflexes à adopter dès le départ :

 

Créer et intégrer des règles pour que vos conceptions durent pour toujours

J'adore les règles qui sont logiques. C'est pourquoi il est important de définir les contraintes de votre dissipation d'énergie avant d'assigner les règles de conception qui vont gérer ces contraintes. Le meilleur moyen de faire cela est d'établir une fiche technique. Une fiche technique correctement rédigée comporte habituellement au moins trois niveaux de performance, allant du pire au meilleur des scénarios.

  1. Le premier niveau de performance est l'énergie que le composant pourra dissiper par lui-même dans l'espace libre. Ceci est considéré comme étant le pire cas de dissipation d'énergie.
  2. Le deuxième niveau concerne la dissipation d'énergie du composant lorsqu'il a été soudé à un circuit imprimé de cuivre FR-4 en mode « classique », ce dernier terme restant très subjectif. Cette valeur énergétique est considérée comme moyenne, mais elle doit être vérifiée empiriquement si possible.
  3. Le troisième niveau de performance est le meilleur cas de dissipation d'énergie. Il est atteint lorsque le composant a été parfaitement fixé à un pouce carré (6,45cm²) d'un cuivre de 2 oz (70 μm). Cette valeur doit rester une valeur théorique qui ne sera probablement pas atteinte en pratique.

La valeur de dissipation d'énergie utilisée dans le calcul sera choisie dans la fourchette des scénarios classiques et des meilleurs scénarios.

 

À présent que vous connaissez la quantité d'énergie devant être dissipée, vous pouvez Créer une règle. Ainsi, si quelqu'un d'autre utilise votre conception, il n'aura même pas besoin de consulter la fiche technique d'origine. Cela ne veut pas dire qu'il faut négliger les informations à noter dans la fiche technique, mais elles serviront plutôt de sauvegarde ou de source de clarification de vos conceptions. Les logiciels de conception modernes disposant de bibliothèques de composants peuvent vous aider à économiser du temps lors de l'évaluation des composants, et permettre aux utilisateurs d'attribuer des règles à certains composants spécifiques. Je sais que je préfère « débogguer » une conception dont le routage n'offre pas un dissipateur thermique adéquat au stade virtuel, plutôt que d'attendre qu'il ne prenne feu.

 

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Autres astuces thermiques

L'intégration de règles de conception est une solution évidente pour transférer les connaissances concernant la dissipation d'énergie d'un composant. Cependant, il existe quelques astuces à toujours garder en tête :

 

Utiliser des vias traversants– Les vias traversants sont des conduits thermiques menant à l'autre face du circuit imprimé. Souvent, si les composants sont trop nombreux d'un côté de la carte, les vias traversants peuvent servir à conduire efficacement la chaleur de l'autre côté de la carte, là où il y a plus de surface disponible pour la dissipation thermique.

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Sources de chaleur externes – Pensez qu'une source de chaleur externe peut élever la température de votre circuit imprimé. Un circuit posé dans un atelier pourra fonctionner sans problème, mais si ce même circuit est fixé à une surface en métal qui est chauffée par une autre source, bonjour les flammes ! Même une chaleur passive provenant des rayons du soleil qui tapent sur le tableau de bord d'une voiture peut suffire à endommager les conceptions marginales. ce sont habituellement les actions qui n'ont pas été anticipées qui créent les dégâts.

 

Éliminez l'étape de reconception grâce aux règles de conception intégrées

En envisageant ces situations au moment du routage du circuit imprimé, vous pouvez faire de petits ajustements qui vous éviteront ainsi de réaliser, plus tard, des changements qui n'avaient pas été prévus. La prise de notes est indispensable, mais en fonction de la manière dont ces informations sont partagées au sein de l'équipe, elles peuvent aussi disparaître. Les règles intégrées dans les conceptions permettent de conserver les informations là où vous en avez besoin – au cœur de la conception. Grâce à la fonctionnalité de règles de conception d'Altium Designer, chaque concepteur peut « entrevoir l'avenir » et éviter les pièges qui entraînent des remaniements de conception. 

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