Desarrollo y pruebas Agile: el rol de las simulaciones

Zachariah Peterson
|  November 3, 2019

PCB Agile development and testing with an oscilloscope

Las simulaciones pueden ayudarle a evitar constantes ciclos de elaboración y prueba de prototipos

Diseñar, construir, probar; tanto si usted es diseñador de hardware como si es ingeniero de software, seguramente tendrá que ejecutar múltiples iteraciones al desarrollar sistemas complejos. Las porciones de montaje y pruebas son el momento de la verdad: es entonces cuando se puede ver si el trabajo duro ha valido la pena. Una parte importante de las iteraciones de diseño, montaje y pruebas, es la definición precisa de los casos de prueba y los requisitos de funcionalidad para su nuevo producto.

Las pruebas eléctricas seguramente consumirán una cantidad notable de tiempo, porque requieren de sondeos manuales en la tarjeta como tal o en cualquier periférico con que deba interactuar. Cuando se trata del desarrollo y pruebas Agile de la tarjeta como tal, puede identificar potenciales problemas de diseño de manera precoz en el proceso de diseño e incluso ahorrarse una iteración fallida de elaboración de prototipo si aprovecha las funcionalidades de simulación de su software de diseño.

Diseñar, probar, montar y repetir de manera Agile

Si bien a cualquiera le encantaría que todo nuevo producto funcionase tal y como debería según el esquema, puede resultar difícil anticiparse a todos los problemas de potencia e integridad de la señal de su PCB. Los ciclos de diseño, montaje y pruebas están pensados para crear siempre una nueva referencia para próximos diseños. Los prototipos se producen, regresan al banco de pruebas, se les diagnostican los problemas, y estos se resuelven (con suerte) antes de la creación del próximo prototipo.

Por desgracia, los presupuestos son limitados, y la creación de prototipos lleva tiempo, lo que redunda en dinero perdido y mayores plazos de lanzamiento. Los productos más complejos tienden a acarrear unos mayores costos de producción y precisan de más tiempo de prueba, y a veces el producto nunca llega a probarse en el entorno previsto. Es aquí donde es crucial que los equipos de diseño identifiquen la integridad de las señales, de potencia y los problemas térmicos en una etapa temprana del proceso de diseño.

Detectar estos problemas y prescribir los cambios en un diseño en múltiples puntos en la fase de diseño es clave para el diseño y pruebas Agile. Cualquier flujo de trabajo Agile requiere de la reevaluación y triaje de los cambios que es necesario imprimir a un diseño en múltiples puntos del proceso de diseño. Las simulaciones son herramientas invaluables para los procesos de desarrollo y prueba, puesto que permiten a los diseñadores validar porciones de un sistema complejo en una etapa más temprana del proceso de diseño y también desarrollar los cambios necesarios antes de la elaboración de prototipos.

Simulaciones en un flujo de trabajo para desarrollo y pruebas Agile

El desarrollo Agile hace énfasis en la adaptabilidad y ajuste a los cambios. Si es posible identificar los cambios necesarios en el diseño, funcionalidad o características en una etapa temprana del proceso de diseño, entonces se podrá disminuir la cantidad necesaria de rediseños. Las simulaciones dentro del desarrollo Agile y del proceso de pruebas para el diseño de PCB deberían enfocarse en identificar problemas en las siguientes áreas:

  • Integridad de la señal. Esta debería ser un área de análisis bastante evidente. Problemas tales como oscilaciones, diafonías, exceso de reflejos, interferencia entre símbolos y resonancia de señales pueden resultar problemáticas en diseños de alta velocidad/frecuencia. Las simulaciones son excelentes para identificar estos problemas durante la fase de diseño y pueden informar de cualquier cambio requerido en la disposición.
  • Integridad de la potencia. La investigación de la integridad de la potencia con herramientas de simulación requiere del examen de problemas como el rebote de tierra, oscilaciones en tu PDN, autoresonancia en los condensadores de bypass/desacoplamiento y caídas IR en su PDN. Un buen analizador de PDN puede ayudarle a examinar la distribución de potencia en su tarjeta, mientras que las herramientas básicas de simulación de circuitos le permiten examinar los aspectos restantes de su red de distribución de potencia al haber alternancia de CI digitales.
  • Filtración/amplificación. Si bien normalmente se discute en términos de algunos circuitos básicos, los diseños más avanzados de filtros lineales/amplificadores pueden tener complejas funciones de transferencia y de respuestas transitorias, especialmente con señales de alta frecuencia o alta velocidad. Los barridos de frecuencia y las simulaciones en el dominio del tiempo son herramientas estándar para validar las elecciones de diseño en esta área.
  • Efectos no lineales. Problemas como la intermodulación, el acoplamiento de impedancias con componentes no lineales y la estabilidad no lineal pueden resultar difíciles de simular en algunas herramientas especiales de simulación. Una buena herramienta de simulación ofrece modelos de circuitos que tienen en cuenta la naturaleza no lineal de algunos componentes, que le permitirán examinar algunos aspectos más avanzados de la integridad de la señal en sistemas complejos.

Si logra identificar problemas de señal ,en esta y otras áreas, en una etapa temprana del proceso de diseño, es posible que pueda ahorrarse uno o dos prototipos y crear unos diseños más innovadores. El desarrollo temprano y frecuente de casos de prueba basándose en los requisitos del cliente y los requisitos de funcionalidad es clave para cualquier desarrollo Agile y para los procesos de pruebas.

Diseñar para pruebas en el desarrollo Agile de hardware

Como la integridad de la señal es una parte tan importante de cualquier diseño de alta velocidad o alta frecuencia, necesitará probar ciertos aspectos de la tarjeta terminada en su entorno previsto. Las simulaciones son invaluables en este aspecto durante la fase de diseño, pero aun así tendrá que hacer pruebas en una tarjeta de verdad cuando finalice la ejecución del prototipo. Por suerte, existen algunas estructuras sencillas de validación que puede incluir en su tarjeta para hacerse más fácil examinar directamente la integridad de la señal con una cantidad de instrumentos estándar.

Desarrollo Agile y pruebas de una PCB con un osciloscopio

Desarrollar estos tipos de casos de prueba para hardware es parte importante del diseño y desarrollo Agile de hardware, tanto durante la fase de diseño como la de pruebas. Incluir estas estructuras de prueba le permite hacer mediciones en interconexiones críticas fácilmente, y comparar los resultados con sus simulaciones. Incluir estas estructuras de prueba puede ayudarle a tratar dos puntos importantes.

En primer lugar, le ayuda a validar cuáles de las suposiciones en su simulación no son realistas, a determinar si su análisis original de los resultados de la simulación fue incorrecto y cómo ciertos aspectos de su disposición (por ejemplo, corrientes parásitas) están afectando a sus interconexiones. En segundo lugar, esto puede ayudarle a enfocarse en una parte específica de la tarjeta para su inspección y simulación. Una inspección de la disposición y la comparación directa con su disposición podría revelar la causa de los problemas que ve en su tarjeta. Una vez identificada la porción específica de la tarjeta que le está causando problemas, puede trazar un potencial curso de acción con sus herramientas de diseño y de simulación. Este es el método científico en acción.

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Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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