Desenvolvimento de Hardware utilizando ferramentas CAD/CAE

Transcrição

1 Desenvolvimento de Hardware utilizando ferramentas CAD/CAE Gilson Yukio Sato Objetivo Estudando este texto, participando do fórum de discussão, da videoconferência e da sala de bate-papo você vai: Conhecer as principais fases do desenvolvimento de produto. Conhecer o papel das ferramentas de CAD/CAE no desenvolvimento de hardware. Introdução O desenvolvimento de hardware (HW) já foi uma atividade quase artesanal, quando a sistematização do processo era muito baixa e dependia em grande parte da habilidade do profissional. Por exemplo, no caso do projeto de placas de circuito impresso (PCB), o layout era praticamente um desenho de ligue-os-pontos que exigia uma grande dose de experiência do desenhista. Era preciso reservar espaços para os componentes com antecedência, utilizar o bom senso para aplicar regras de concepção. Não podemos menosprezar a experiência do profissional de PCB, que ainda, é extremamente valiosa, mas os projetos atuais exigem bem mais dos projetistas (figura 1). Por exemplo, pense nas facilidades que um carro tinha 10 anos atrás e nas que têm agora (e.g. reconhecimento de voz no Palio). Os sistemas tornaram-se mais complexos, com mais facilidades. Os primeiros PC funcionavam com um clock de alguns MHz, hoje funcionam a alguns GHz (velocidade 1000 vezes maior). hardware: Parte material que constitui um equipamento eletrônico. PCB (Printed Circuit Board): Placa de Circuito Impresso layout (de circuito impresso): disposição dos componentes sobre uma placa de circuito impresso e distribuição das trilhas responsáveis pelas conexões elétricas entre os mesmos e.g.: (do latim, exemplus gratie), por exemplo. Compare os primeiros PC em termos de capacidade com os PC atuais. Figura 1 Foi necessário colocar mais componentes eletrônicos no mesmo espaço para que isso fosse possível. Observe que os sistemas tornaram-se mais velozes e menores. A miniaturização dos sistemas fica bem evidente também nos telefones celulares e nos PDA (Personal Digital Assistant).

2 Antes, as pessoas se orgulhavam de possuir um bem por vários anos ( tenho essa geladeira há 10 anos e nunca tive um problema! ), hoje elas querem novidades, novas facilidades, um design mais atraente e tudo isso em um tempo muito curto. Pense em quantos celulares novos foram lançados nos últimos anos. Essas condições tornaram mais complicada a tarefa dos projetistas e exigiu que fossem criadas ferramentas, métodos e técnicas para tratar esses desafios. Por exemplo, o projetista de PCB deixou de ser um desenhista para realmente fazer um projeto. Agora, ele não só liga os pontos, mas pode precisar calcular a impedância a trilha para ligará esses pontos. Se você se tornar um desses novos projetistas precisará utilizar efetivamente essas ferramentas, métodos e técnicas! O ciclo de desenvolvimento de produto O ciclo de desenvolvimento de produto que você vai ver é genérico e pode ser aplicado a qualquer outro produto (figura 2). Figura 2 Na fase de conceito, você trabalha com idéias surgidas na empresa, questiona sobre as necessidades/problemas de seus clientes (que talvez não saibam exatamente o que querem como produto). Por exemplo, o cliente deseja um leitor/visualizador de DVD que seja portátil, podendo ser carregado na cintura. Você transforma o conceito em uma definição estabelecendo de forma mais detalhada o produto, seu custo em quanto tempo deve estar no mercado, quais devem ser suas características entre outros fatores (e.g. o DVD deve custar até R$1000,00 ser compatível com todas as regiões, ter autonomia de pelo menos 4 horas e utilizar os componentes X e Y, etc). Na fase de desenvolvimento, você desenvolverá o hardware, o software/firmware, a parte mecânica, bem como o processo de produção. Assim enquanto você está projetando o PCB, seu colega de equipe está escrevendo o software, outro profissional estará concebendo o design e a forma como ele será introduzido na linha de produção. Claro que todos precisam estar sintonizados no trabalho dos demais para evitar problemas. firmware: programa que vai gravado em uma memória dentro do sistema

3 Imagine o que aconteceria com os custos de projeto se a placa de circuito impresso não couber dentro do gabinete a que se destina, ou se o circuito funciona bem em baixas freqüências, mas deixa de funcionar corretamente quando a freqüência aumenta. Na fase de validação, você pede para alguns clientes pilotos testarem o produto e darem suas opiniões. Se na fase de conceito, você não consultou os potenciais consumidores, aqui o produto poderá levar bomba e todo seu trabalho estará perdido do ponto de vista de mercado. Na fase de produção, você implementa o processo que permitirá a produção do bem de acordo com a demanda do mercado. A fábrica poderá ter montado pilotos para validação, mas agora é necessário que você torne a operação de forma mais otimizada possível. Esta fase inclui elementos externos como os fornecedores. A última é a fase de distribuição, consiste em fazer o produto chegar ao cliente, respeitando os tempos adequados. Até este ponto, você pode ter uma visão geral do processo. A partir de agora enfatizaremos o desenvolvimento de HW. Detalhando o Desenvolvimento de hardware A partir de uma especificação elaborada na fase de definição você inicia a concepção do projeto (figura 3). Sua equipe de projeto elaborará um diagrama em blocos do sistema e sub-equipes passarão a desenvolver cada bloco (e.g. no caso do DVD portátil, sua equipe pode desenvolver o controle dos motores, outra o tratamento do vídeo e assim por diante). Nessa fase, se você for o projetista poderá fazer um desenho, colagens de sistemas já existentes ou usar um CAD para capturar o seu projeto. Se você utilizar o CAD poderá empregar a simulação para auxiliar o desenvolvimento. Assim você poderá checar alguns pontos do projeto antes mesmo de testar esses pontos na bancada. CAD (Computer Aided Design): Desenho Auxiliado pelo computador Figura 3

4 Assim que você tiver algumas definições de componentes, poderá iniciar a criação da biblioteca CAD. A biblioteca é requisito para que a captura final do esquemático seja feita, bem como o roteamento da placa. A criação da biblioteca poderá incluir a criação de modelos para as análises a serem feitas posteriormente (e.g. térmica). Para acelerar o processo, diversas pessoas podem trabalhar paralelamente nesta etapa. Assim que, boa parte dos componentes estiver pronta (na biblioteca CAD), você poderá iniciar a captura do esquemático. Se o sistema estiver dividido em blocos, você poderá capturar um bloco, outra pessoa ou equipe poderá capturar outro, reduzindo o tempo de captura. Com a captura pronta você poderá iniciar o layout da placa. Paralelamente ao roteamento, outras pessoas poderão fazer a análise térmica e de compatibilidade eletromagnética da placa. Pronto o layout, você gerará os dados de fabricação não esquecendo de checá-los (através de ferramentas específicas). Simulação Analógica, Digital e Mista. Durante a concepção dos circuitos, você pode efetuar sua simulação. Você deve acompanhar a simulação com testes em bancada utilizando kits de desenvolvimento ou algum outro recurso. A simulação consiste, através de modelos (matemáticos, lógicos, físicos), em simular o funcionamento do circuito, testar possibilidade de alterações ou situações difíceis de serem implementadas em bancada. A simulação é empregada para diminuir a probabilidade de erros na concepção do projeto ou para otimizá-lo. Por exemplo, você pode simular um circuito para decidir qual deve ser a tolerância dos seus componentes (quanto menor a tolerância mais caro é o componente), ou ainda simular uma variação de temperatura aplicada sobre o circuito para descobrir se algum componente sairia de sua área de operação. biblioteca CAD: conjunto de modelos que representam um componente em um projeto. Os modelos mais freqüentes são o lógico, o geométrico, o elétrico, o térmico e o eletromagnético. Esquemático: desenho do circuito utilizando símbolos lógicos. Através dele é possível saber o funcionamento geral do circuito. Kits de desenvolvimento: é um sistema padrão, disponível no mercado, utilizado pelo projetista de hardware para se familiarizar com o dispositivo (e.g. microprocessador) e fazer os testes básicos, antes e durante a concepção de um sistema. Tolerância: em um componente eletrônico a tolerância representa o quanto esse componente pode se apresentar fora dos seus valores nominais.

5 Simulação digital Na simulação digital (figura 4), você pode verificar se os componentes têm suas temporizações respeitadas, e.g. se as memórias respondem o processador a tempo. Também, pode verificar se não Figura 4 ocorre alguma situação de erro não prevista na concepção, e.g. um pulso de clock não previsto para um dispositivo (e.g. uma memória) no início da operação do circuito. O problema da simulação digital é que para simulação de sistemas complexos (processadores, memórias e periféricos) os modelos são caros e por isso, de difícil acesso. Dependendo do sistema, a simulação pode ser muito demorada e pode não oferece lhe respostas em tempo hábil. Simulação analógica Você pode utilizar a simulação analógica tanto no desenvolvimento quanto na otimização de circuitos analógicos que comporão um sistema. Por exemplo, você pode otimizar um circuito oscilador para telefonia. Você deseja saber se a mudança na tolerância de alguns componentes poderia fazer com que o circuito funcionasse fora da norma. Você poderia concluir que alguns resistores poderiam ter sua exigência (e custo) reduzida, mas que um capacitor era crítico para a precisão do circuito. A simulação permite que você teste diversas situações, variado parâmetros de forma muito mais fácil que no trabalho em bancada. Normalmente, os dois trabalhos se complementam. Com a simulação analógica você pode fazer análise de polarização, de regime permanente ou transitório, análise estatística (Monte Carlo) e análise de pior caso. Você pode obter mais facilmente os modelos analógicos (modelos SPICE). Simulação mista Você pode fazer uma simulação mista. Nela, você poderá observar o comportamento de um sistema misto com circuitos digitais e analógicos. A simulação mista esbarra no problema de modelos. Modelos mistos são difíceis de obter. Temporização : componentes possuem limitação na velocidade que podem operar. Quando um projetista de HW faz um projeto precisa considerar, por exemplo, se o processador não é muito rápido para a memória.

6 Biblioteca CAD Uma biblioteca CAD consiste em uma base de dados de componentes que pode ser utilizada para novos projetos. O componente na biblioteca consiste basicamente em um símbolo, utilizado no esquemático, e em uma geometria (figura 5), utilizada para o roteamento da PCB. Deve haver um arquivo que relacione os dois, mas isso pode ser tratado de forma diferente, conforme a ferramenta de CAD. Símbolo: é uma representação lógica de um dispositivo eletrônico, pode representar as suas funções e seus pinos. Geometria: é uma representação física do componente eletrônico. Mostra a disposição dos pinos, as dimensões do componente entre outros dados físicos. A utilização de uma biblioteca traz diversos benefícios. Uma vez na biblioteca, você pode utilizar um componente (ou mesmo somente o símbolo ou a geometria) em vários projetos. Além disso, com um bom processo de biblioteca, você pode ter componentes mais confiáveis, pois não precisam ser criados para cada Figura 5 projeto. Você pode associar restrições do processo produtivo, modelos de análise térmica e compatibilidade eletromagnética permitindo que todos projetistas tenham essas informações já embutidas no componente, sem a necessidade de obtê-los a cada projeto. Você precisa planejar bem a construção de uma biblioteca, assim o sistema continua sendo efetivo mesmo crescendo. Um erro de planejamento pode causar um retrabalho muito grande no futuro. É importante que você utilize bibliotecas de componentes porque a médio e longo prazos isso otimiza o processo de desenvolvimento de PCB evitando que o mesmo trabalho seja executado repetidas vezes. Captura de esquemático Quando você captura um esquemático (figura 6), você o coloca em forma eletrônica permitindo que sejam feitas simulações, seja feito o roteamento do PCB e a própria documentação do sistema. Você geralmente constrói o esquemático a partir da biblioteca e dos desenhos (CAD ou papel) feito pelo projetista de HW. Em sistemas complexos, você pode fazer um diagrama em blocos e cada bloco pode ser capturado por você ou por outra equipe, otimizando a utilização do tempo.

7 Você deve fazer um esquemático claro e de forma cuidadosa, pois é utilizado posteriormente por várias pessoas/equipes. O próprio projetista de HW precisará para depuração do sistema, o pessoal de processo para elaborar como o equipamento vai ser produzido, o pessoal de testes utiliza para desenvolver e implementar os testes. Posteriormente, você poderá utilizar o esquemático para manutenção etc... Além disso, você poderá reutilizar o Figura 6 esquemático em um novo projeto, ajudando a aumentar a velocidade de desenvolvimento do novo produto. Você deve fazer o esquemático para permitir rápida visualização das ligações e deve organizá-lo de forma que sua leitura seja rápida. Se você utilizar símbolos com alguma padronização (IEC, ANSI, DIN) a leitura deve ficar mais facilitada. Você pode padronizar também o nome dos sinais e dos componentes, facilitando a utilização do esquemático. IEC: International Electrotechnical Commission ANSI: American National Standards Institute DIN: Deutsches Institut für Normung São organizações que trabalham com normalização, tal como a ABNT. Você deve fazer uma boa conferência no esquemático, já que o esquemático vai servir de base para todo restante do projeto. Roteamento Você pode entender a etapa de roteamento como um conjunto de várias sub-etapas. Logo após a captura do esquemático, você pode ter uma fase intermediária para relacionar os símbolos com as geometrias. É necessário, então, que você faça o posicionamento dos componentes na PCB. Nessa sub-etapa, você distribui os componentes sobre/sob a placa. Então, você deve configurar a ferramenta de roteamento, ou seja, definir como ela irá operar, as restrições que deverão ser obedecidas, os defaults, etc... Com a configuração pronta é necessário que você faça o roteamento manual das trilhas. As ligações representadas no esquemático deve ser agora implementadas através das trilhas no PCB. Primeiro você deve ser Restrições: restrições como largura das trilhas, tamanho dos furos, entre outros. Trilhas: são os filetes de cobre na placa de circuito impresso que fazem o papel de ligações entre os pinos dos componentes.

8 fazer as trilhas mais críticas como alimentação, sinais de clock, reset e outras consideradas cruciais pelo projetista de HW. Após o roteamento manual, você deve fazer o roteamento automático das trilhas restantes de forma que o PCB seja completado. Posicionamento No posicionamento, você distribui os componentes sobre e/ou sob a placa (figura 7). Essa atividade parece simples de início, mas se mal executada pode obrigar um redesenho do projeto. Você deve fazer o posicionamento levando em consideração o máximo de fatores interferentes. Esses fatores podem ser: Figura 7 restrições mecânicas: como altura ou peso ou necessidade de dissipador,... restrições térmicas: proximidade de componentes quentes, bloqueio do fluxo de ar,... restrições de montagem: proximidade de componentes que não permitem que máquinas de montagem automática insiram os componentes,... restrições de soldagem: componentes que podem tombar conforme o processo de solda, pinos que podem curto-circuitar,... restrições elétrica/eletromagnéticas: proximidade de componentes que trocam sinais rápidos, ou muitos sinais, barramentos invertidos,... restrições de uso: conectores próximos a componentes quentes ou que podem machucar o usuários,... Análise Térmica Após o posicionamento, você já pode fazer uma análise térmica. A análise térmica consiste em simular o comportamento térmico da placa em funcionamento. Com ela, você pode obter o mapa de temperaturas na superfície da placa, a temperatura nos componentes, quais componentes estão esquentando mais que o admissível, o fluxo de ar na placa em

9 diversas situações externas (e.g. você pode imaginar o sistema funcionando de dia em Fortaleza ou de noite em Curitiba. Pode colocar a placa deitada ou em pé. ). Para fazer uma análise térmica, você precisa construir um modelo térmico do componente e calcular a potência dissipada em sua operação. A simulação permitirá que você e sua equipe de projeto detectem problemas como pontos quentes na placa e testem alternativas com um mínimo dispêndio de tempo. Você pode deslocar componentes facilmente, pode incluir dissipadores, pode tentar encapsulamentos Figura 8 diferentes. Nessa figura 8 observamos o mapa de temperatura da placa e quais as regiões quentes onde talvez seja necessária uma ação. Configuração do roteamento Na configuração do roteamento, você define quais as regras que o roteamento deve seguir. Por exemplo, a largura das trilhas, a distância entre as trilhas, o tamanho das vias, a prioridade com que algumas trilhas devem ser roteadas, o comprimento máximo de uma trilha, o formato de uma trilha entre outras. Em algumas ferramentas, você pode fazer a configuração através de uma espécie de programa, na qual aparecem comandos/regras que as ferramentas de roteamento devem seguir. Você pode fazer inclusive estruturas if-then-else para que a ferramenta possa seguir caminhos diferentes conforme a situação. Via: a via é um furo metalizado que faz contato elétrico entre os layers ou camadas de uma placa de circuito impresso. Layer: uma placa de circuito impresso pode ser composta por vários layers. São camadas de cobre e isolante, cada uma como se fosse uma PCB, mas todas prensadas juntas. Aqui, se você for o projetista de PCB, você deve utilizar seu conhecimento para obter um PCB efetivo. Deve calcular diversos parâmetros, deve estar atento às restrições de fabricação e deve usar sua experiência. Se as regras forem muito rigorosas, o roteamento fica inviável, se muito frouxas, não auxiliam na prevenção de problemas. Roteamento Interativo/Automático Você deve tratar o roteamento automático da placa como um recurso valioso porque permite que o roteamento seja feito muito mais

10 rapidamente e com maior qualidade, uma vez que você pode fazer e testar diversas alternativas de roteamento (e.g. imagine que você pode projetar duas ou três versões e testar a que está melhor em compatibilidade eletromagnética no mesmo tempo em que você fazia manualmente uma única placa e que ainda por cima não sabia se a placa ia passar na análise de compatibilidade eletromagnética). No entanto, os roteadores automáticos ainda não atingiram o grau de maturidade suficiente para rotear sozinhos uma placa. Por isso, você usa o roteamento interativo ou manual (figura 9) antes do roteamento automático para traçar trilhas que sejam consideradas críticas, ou seja, cujo potencial para problemas é maior. Por exemplo, as trilhas de alimentação, sinais de clock (que Figura 9 devem ser as mais curtas possíveis), sinais como reset cuja susceptibilidade pode causar problemas intermitentes. Você pode ainda precisar do roteamento interativo para concluir trilhas que o roteamento automático não conseguiu finalizar. No roteamento automático, a ferramenta de roteamento, obedecendo às regras que você definiu no processo de configuração, irá tentar concluir todas as ligações faltantes. Você pode ser facilitado/dificultado o roteamento pelo posicionamento dos componentes e pelas regras mais ou menos rígidas. O processo pode tomar alguns minutos ou horas. De qualquer forma é bem mais rápido que o processo de roteamento interativo. Por isso, você pode gerar vários roteamentos e escolher entre um deles em função das análises posteriores como a de compatibilidade eletromagnética. Após o roteamento automático é interessante que você faça uma inspeção visual. Algumas vezes o roteador pode deixar trilhas com formas estranhas ou pode fazer ligações que visivelmente poderiam ser melhoradas. Nesses casos você pode utilizar o roteamento interativo para acertar os detalhes. Os roteadores podem ser de dois tipos básicos: por grid e por shape. No roteador por grid, todos objetos, componentes, trilhas e vias devem estar sobre uma grade. A grade é um reticulado imaginário que serve como referência para o roteador localizar os objetos. O roteador por shape baseia-se nas formas dos componentes trilhas e vias, podendo deslocar objetos conforme a necessidade. O roteador por shape melhora em muito a eficiência, tanto do roteamento automático quanto interativo. Acredito que para muitas aplicações o roteador por grid já não seja viável. Análise de Compatibilidade Eletromagnética Concluído o roteamento, você pode fazer uma análise de compatibilidade eletromagnética. Uma dos itens dessa análise é a análise de integridade de sinal. Nessa análise a ferramenta computacional aplica um pulso na trilha e observa como se dá a reflexão do sinal nessa trilha. É como se ao falar ao telefone você escutasse a sua própria voz, junto coma voz do interlocutor. Conforme o comprimento da trilha, a Compatibilidade eletromagnética: todos equipamentos eletrônicos emitem radiação eletromagnética e são sensíveis a ela. A compatibilidade procura fazer com que os equipamentos não emitam nem sejam tão suscetíveis à radiação eletromagnética.

11 velocidade do pulso, os tempos de subida e de descida do pulso, reflexões do sinal na trilha podem ser geradas e elas podem comprometer a interpretação dos sinais lógicos. Com a simulação você pode detectar algum problema desse tipo antes de fabricar a placa e tomar medidas preventivas como: mudar o traçado da trilha, incluir resistores na trilha, mudar o posicionamento dos componentes e trocar de componente. Esse tipo de problema pode fazer com que você tenha que diminuir a velocidade de operação do sistema, o que faz com que o sistema perca qualidade. Outro item da análise de compatibilidade eletromagnética é a análise de crosstalk. O crosstalk é o fenômeno em que uma trilha influência a outra. É como uma linha cruzada no telefone, as conversas se misturam. Na placa os sinais também se misturam e podem causar problemas. O sinal de uma trilha é o ruído para outra. Se o ruído for muito grande o sinal de uma trilha pode distorcer a sinal na outra. Nessa análise a ferramenta calcula quanto uma trilha está induzindo em outra. Se a indução for muito grande você deve tomar algumas medidas. A medida básica é o afastamento da trilhas. O último item da análise EMC é a análise de emissão eletromagnética. Nessa análise a ferramenta coloca uma antena a várias distâncias prédefinidas da placa e faz uma volta de 360 graus ao redor dela. Para cada distância e para cada ângulo você pode observar o espectro de irradiação de uma trilha ou da placa como um todo. Se em algumas freqüências a amplitude do sinal irradiado é muito alta e ultrapassa padrões estabelecidos (por normas) é necessário que você tome alguma medida. Algumas das medidas que você pode tomar são: a mudança do traçado da trilha, diminuição da reflexão nas trilhas, blindagem das trilhas inclusão de filtros entre outras. A análise EMC minimiza a probabilidade da placa projetada de apresentar problemas tanto de integridade de sinal quanto de crosstalk e emissão eletromagnética. Se você fizer a análise em todas as placas do sistema existe uma melhor possibilidade do sistema como um todo passar em testes de emissão e susceptibilidade eletromagnética, que são necessários para diversos produtos, tanto no Brasil, quanto no exterior (telecomunicações, carros, etc...) Blindagem: é um recurso para evitar a emissão eletromagnética. Consiste, basicamente, em encapsular a fonte emissora em um invólucro metálico conectado ao terra do sistema. Geração dos dados de fabricação Assim que você rotear a placa e refinar seu roteamento, devido à análise térmica e de compatibilidade eletromagnética, é possível gerar os dados de fabricação. Antes de gerar os dados de fabricação você deve fazer alguns acabamentos no roteamento.

12 Esses acabamentos consistem em incluir os area fill, para melhorar a dissipação de calor e diminuir a irradiação eletromagnética, incluir os feduciais e os thermal reliefs ou alívios térmicos para melhorar a soldagem dos componentes a placa. Feito o acabamento, você pode fazer a geração dos dados de fabricação. Você deve gerar os dados conforme a especificação do fabricante de PCB a fim de que não haja problemas no processo de fabricação. O formato padrão para os dados de fabricação é o gerber. Nesse formato são gerados desenhos de como deve ficar a área de cobre, a serigrafia, a furação da placa, o corte da placa de forma que ao receber os dados o fabricante tenha todas as informações para produzi-las. Antes de você enviar os dados para fabricação, você pode verificar se os dados estão corretos. Existem ferramentas que podem analisar o arquivo e apontar potenciais pontos de erros no processo de fabricação, como uma trilha que nos processo pode não ficar ligada como deveria. Essa análise é feita com base nas limitações que o fabricante de PCB lhe fornecer. É possível também que você execute uma análise de montagem. Com as limitações das máquinas automáticas de montagem é possível verificar se os componentes poderão ser colocados e se não apresentarão problemas na soldagem. Área fill: área de cobre, geralmente conectada ao terra do sistema, colocada nas áreas do PCB onde não há trilhas. Feduciais: referências utilizadas pelas máquinas de inserção automática de componentes para se localizarem na PCB. Considerações Finais As ferramentas de CAD/CAE têm uma função importante no desenvolvimento do hardware de sistemas eletrônicos. Elas viabilizam e/ou facilitam o trabalho das equipes de desenvolvimento. Elas permitem que os projetistas testem o sistema antes de fabricar o primeiro protótipo. Isso significa menos tempo gasto no desenvolvimento e mais qualidade no produto final. Evidentemente, é necessário que além das ferramentas computacionais, métodos sejam utilizados no desenvolvimento de produto. Tudo isso, exige uma mudança na cultura das empresas e pessoal capacitado para tal. As figuras utilizadas nesse texto são capturas de tela de ferramentas Mentor Graphics e Specctra.