Construir con éxito tu biblioteca de componentes electrónicos

"Organizarse es justo aquello que haces antes de hacer algo, de modo que cuando te pongas a ello, todo salga a derechas."

^{A. A. Milne}

La arquitectura es una estructura específica que gestiona los datos que hemos recogido. Determina cómo almacenamos, disponemos y utilizamos los datos en un sistema. 

En este sentido, la arquitectura de su biblioteca de PCBs es como la arquitectura de un edificio. Es necesario que esté terminada antes de que construya su biblioteca y no acabes como un virtual Hotel del Coronado en las manos.

En Coronado (California), en primera línea de playa de la Bahía de San Diego, se erige el Hotel del Coronado. Esta estructura inmensa totalmente de madera es la segunda más grande del país. Su fama se debe a ser el primer hotel de Estados Unidos en tener luz eléctrica y en albergar el primer árbol de Navidad iluminado con electricidad al aire libre. El hotel salió en la película clásica de 1959 Con faldas y a lo loco, protagonizada por Marilyn Monroe, Jack Lemmon y Tony Curtis. 

^{(imagen de Shutterstock del Hotel del Coronado)}

La construcción del hotel comenzó en marzo de 1887, abriendo sus puertas al público en febrero de 1888. Es realmente impresionante y sorprendente que no se utilizaran planos arquitectónicos oficiales para la construcción de este magnífico edificio. Las diferentes partes fueron encajándose como piezas. Se iba planificando sobre la marcha. Vestigio de ello es la parte delantera de la fachada del edificio y su estructura a piezas. Pese a todo, este maravilloso hotel se considera la joya de la corona de Coronado. 

Comparto esto porque, a pesar de que se puede construir un edificio sin planos, no es la mejor opción. La arquitectura de este inmueble fue una auténtica proeza, aunque no convendría intentar en la actualidad algo similar. 

Es realmente fascinante ver cómo evolucionan las estructuras de los edificios. Cómo los obreros nivelan el terreno, echan los cimientos, suben paredes y construyen el tejado. Antes de que uno se dé cuenta, tienes construido un edificio. Todo esto es posible porque se ha planificado adecuadamente, concretamente la arquitectura. 

Veamos cómo estructurar nuestra biblioteca.

Este pilar de aquí va encima de todos los demás. La arquitectura y, en última instancia, su estructura, determina y afecta a todos y cada uno de los pilares restantes. Dada su importancia, la arquitectura es asimismo el pilar que más puede afectar negativamente a nuestras bibliotecas si no se configura correctamente.

Por supuesto que los detalles de la biblioteca varían dependiendo de las necesidades concretas de la empresa, y esos requerimientos condicionarán los últimos resultados de su arquitectura.  

Echando los cimientos

Solo con abrir cualquier catálogo de un proveedor de componentes electrónicos impresionan los millones de productos disponibles. En la web de un proveedor conocido de componentes electrónicos la cifra más reciente de productos disponibles asciende a 8 621 770 componentes.

La información sobre componentes es muy dinámica, añadiendo más confusión. Está en continuo cambio. Se agregan componentes electrónicos y otros se eliminan. Los campos de datos y parámetros cambian. Por consiguiente, la información sobre disponibilidad y abastecimiento es difícil de concretar. Por no decir imposible. 

Primeros pasos

En demasiadas ocasiones, las bibliotecas de PCBs se establecen en función del estado de la empresa en un momento dado y sin prever dónde estará en un plazo de cinco a diez años. No conozco empresas que quieran estancarse durante muchos años. Por consiguiente, debes, en primer lugar, prepararte y reflexionar sobre cómo crecerá tu empresa.

Recientemente me senté con una empresa a hablar sobre su biblioteca (Singular, que ya habían configurado su primer pilar). Me dijeron que se enfrentaban a la gestión de alrededor de 1500 componentes. Cuando les pregunté cómo se las apañarían con 10 000 componentes, sus ojos se velaron y un silencio sepulcral siguió. Pero entendieron la cuestión: tenemos que construir una biblioteca que permita gestionar 10 000 componentes, incluso si aún no están ahí. De este modo, la estructura de la biblioteca se establece permitiendo una expansión natural conforme la empresa, esperemos, va creciendo. Necesitamos planificar. 

Categoría/familias de componentes

Una forma común de organizar componentes es desglosarlos en categorías y familias y luego asignar un número de categoría específico de tres cifras. A continuación, dividirlos en el nivel de Familias con un sistema de numeración de hasta tres cifras. 

Con este tipo de estructura, podemos fácilmente encontrar y organizar cualquier componente. A ello se suma la posibilidad de expansión conforme la base de datos crece, ya que bajo cada categoría de un componente puede haber 100 familias diferentes con un número ilimitado de componentes en cada una de ellas. 

Por suerte, la parte complicada ya está resuelta. La mayoría de los proveedores de componentes organizan sus productos de la misma forma. El mejor que he encontrado es Octopart^® con una estructura muy detallada de componentes dividida no solo en categorías, sino también en subcategorías y familias. Según la complejidad necesaria para nuestra biblioteca, podemos añadir fácilmente más niveles (que veremos cuando los tratemos por separado). Nunca he visto una biblioteca que tenga problemas por estar demasiado organizada. Cuanto más, mejor. 

Prerrequisito para la biblioteca

Hay que tener una estructura detallada del aspecto que queremos que tenga la biblioteca antes de ponerse manos a la obra, ya que es un reto cambiar a medio camino, como ya he comprobado. La única forma de arreglarlo fue borrar la biblioteca entera y empezar de nuevo. Un poco de planificación y organización sirven de mucho. Contrariamente a lo acontecido en el Hotel del Coronado, no es una buena idea ponerse a construir con la esperanza y la ilusión de que todo se arreglará al final.

Deja que los componentes de tus diseños actuales te indiquen qué necesitas. No toda categoría y familia de componentes son necesarias, de modo que no tiene sentido establecer categorías y familias para todo. 

Empieza con una estructura inicial y sobre esta construye. Una vez que una nueva parte está disponible en línea (como decimos), puedes añadir categorías de componentes y familias rápidamente conforme la biblioteca crece. Al principio requerirá mucho trabajo, pero este disminuirá bastante rápido. 

El componente, el bloque de construcción de la biblioteca

Quitemos una capa más a nuestra cebolla metafórica. El componente electrónico es el bloque de construcción de cualquier biblioteca. Como ya mencioné antes, la biblioteca más utilizada en la actualidad es la biblioteca de componentes, que divide los diferentes modelos que construyen un componente en entidades separadas. Cuando están bien controlados, los bloques administrados con información ayudan algo a configurar realmente la biblioteca. Si sabemos qué forma cada componente, podremos colocarlo dentro de la estructura de la biblioteca. 

¿Qué hay en un componente?  

Las diferentes piezas de un componente se dividen en dos categorías principales: la información y los modelos.

Información

Encontramos que la información del componente es con frecuencia de naturaleza estática. Así que lo mejor es incluirla en el componente mismo. Además, de ese modo, la información vital queda conectada a dicho componente. La información paramétrica del componente incluye detalles específicos de esta parte, tal y como se aprecia en la figura de más abajo. Muchos de los millones de componentes mencionados con anterioridad se separan por diferencias insignificantes. Son estas diferencias las que pueden hacer que el diseño de una PCB sea un éxito o un fracaso. 

El segundo tipo de información es el abastecimiento. La información de abastecimiento se encuentra en un nivel nuevo de datos dinámicos. Los cambios inmediatos en los suministros de componentes, no diarios o semanales, es una de las preocupaciones crecientes de los diseñadores de PCBs. 

Modelos

La segunda categoría de cada componente son sus modelos. Los modelos mínimos necesarios para cada componente son el símbolo esquemático, la huella/módulo y el modelo 3D. Encontrar un buen modelo de simulación sería una gran ventaja. Aunque no podemos tomarlo como una ley exacta, porque para determinados componentes, especialmente de los fabricantes de circuitos integrados, los detalles de funcionamiento de determinados chips son confidenciales.

Los modelos de componentes son más estáticos y los cambios suceden de forma más lenta. Teniendo eso en mente, es vital que estos componentes sea tan genéricos como sea posible. La regla es que si un modelo puede utilizarse en múltiples sitios no quieras vincular un modelo de una parte concreta con información paramétrica o de abastecimiento. La información y el área de modelos de los componentes no debería cruzarse entre sí siempre que sea posible y por convenciones de nomenclatura. 

Símbolo esquemático

El símbolo esquemático es un pictograma que se usa para representar varios dispositivos eléctricos y electrónicos, así como funciones. 

La única excepción a esa regla es la nomenclatura de ciertos símbolos esquemáticos adjuntos. Frecuentemente, un símbolo esquemático es único a un paquete con una huella específica. Es mejor utilizar el número de serie MFG como nombre del símbolo. 

Huella (footprint)/módulo 

La huella de la PCB es una serie de nodos (en tecnología de montaje superficial) o de agujeros pasantes (en tecnología de agujeros pasantes) que se utiliza para colocar y conectar eléctricamente un componente a una placa de circuito impreso. El plano de tierra en una placa de circuito coincide con la disposición de pistas en un componente. La regla esencial es que el símbolo esquemático y la huella tienen que coincidir. 

Convención para nomenclatura de huellas 

Con el objetivo de poder buscar en una biblioteca y encontrar los componentes, deben existir unas convenciones de nomenclatura estándares. Sobre todo si hay más de una persona que se encargue de crear las huellas necesarias. Por suerte, la norma IPC se ocupa de eso por nosotros. Dos normas que son necesarias leer:

• la norma IPC-7251C de requisitos genéricos de diseño para diseños de agujeros pasantes y plano de tierra; 

• la norma IPC-7351C sobre requisitos genéricos de diseño para montaje superficial y plano de tierra;

• la convención de nomenclatura de la huella/módulo de los PCB según la IPC-7351C.

En resumen, las huellas se identifican por el tipo y tamaño de componente. 

Modelos 3D 

La representación 3D del componente en la PCB es más importante, puesto que los tamaños de las unidades terminadas se reducen en tamaño. Las restricciones mecánicas serán las que dirijan principalmente la mayoría de los diseños de PCBs. Por suerte, existen ahora muchos proveedores de modelos 3D, como D Content Central y Grab CAD. Pero el predilecto para los modelos 3D es el mismo fabricante. Cada vez se hacen más eco de los requerimientos de los diseñadores de PCBs e incluyen modelos con la información paramétrica.

La necesidad de tener una representación 3D precisa no ha pasado desapercibida para las empresas de software de diseño electrónico de PCBs asistido por ordenador. Altium hace suyo el protocolo estándar que integra un nuevo componente cuando se crea y existe el modelo 3D.

Simulación 

Las simulaciones están volviéndose un poco problemáticas. Esto se debe a que es algo impredecible. No hay ningún problema con los circuitos convencionales. Pero en lo referente a circuitos integrados avanzados, como ya mencioné antes, el único proveedor es el fabricante. La situación fuerza a los ingenieros a desarrollar algunos métodos únicos que simulen circuitos que no tienen circuitos integrados representados.

Hogar de los modelos

Varias de las estrategias han surgido en relación con la gestión de modelos. Un punto de vista aboga por mantener todos los modelos de la biblioteca completa en una sola carpeta. El problema que he encontrado es que es difícil gestionar el contenido con este método. Solo encontrar el modelo que necesita puede resultar complicado. 

Creo que es mejor tener una carpeta para los modelos de cada categoría de componentes. Así, al estar desglosada por modelos, estos se pueden organizar bastante bien dentro de esa categoría.  

Un problema que encontramos con modelos de múltiples categorías es donde albergarlos. Por ejemplo: un componente del tamaño de un SOT puede ubicarse en diferentes categorías de la biblioteca de componentes. ¿Cómo podemos solucionarlo? Seguimos la regla de más arriba, pero con la salvedad de que cuando se produce algún cambio en una huella, hay que realizar una búsqueda para determinar si las otras huellas como resultado también necesitan cambiarse. 

Unas palabras sobre componentes discretos

Usemos una metáfora: una biblioteca es como un cuerpo humano, y la barriga hinchada por la cerveza serían los componentes discretos. Conforme la biblioteca crezca, seguro que las categorías discretas son las que tienen la mayoría de los componentes. Por tanto, hay que prestar especial atención a esa área de tu biblioteca para proporcionarle una mayor estructura arquitectónica. Una forma es añadir niveles adicionales que podrían incluir el tamaño del componente. Así que se organizarán además por tamaño. 

Por consiguiente, ya que se pasa mucho tiempo creando discretos, categorizarlos por tamaño ayudaría el tener una plantilla de componentes discretos. Esta plantilla contendrá componentes genéricos consistentes en un símbolo esquemático y las huellas utilizadas. Los componentes se guardan con un único nombre, para que sea sencillo encontrarlos en las búsquedas. Por ejemplo: las dimensiones estándares de un discreto para una resistencia es el 0402. En la plantilla, tendremos el símbolo de la resistencia y en ese ejemplo tres huellas para las condiciones mínimas, nominales y máximas. Se guarda con el nombre «RES0402». Las siguientes resistencias 0402 buscarán la plantilla «RES0402», harán una copia, recuperarán la información paramétrica, buscarán el abastecimiento y ¡listo! Esto tiene un par de ventajas: se reduce el tiempo necesario para crear componentes y se estandarizan el proceso y los modelos utilizados. 

Trabajar con componentes discretos

Con el vasto número de fabricantes de componentes discretos, sucede que todos los componentes no tienen las mismas dimensiones. Hay pequeñas diferencias entre ellos. Por ello, es aún más importante el uso de una norma como la IPC por parte de los diseñadores de PCBs. Para probar este punto, una búsqueda sencilla en Digikey de una resistencia de un chip 0402 arroja resultados de 12 dimensiones de huellas diferentes con un total de 10 diferentes alturas, desde 0,35 mm a 0,85 mm. Serían alrededor de 15 o 20 huellas diferentes únicamente para un solo componente. 

¿Cómo podemos solucionar ese problema? Empecemos con las tres huellas de punto de partida: máxima, nominal y mínima. En segundo lugar, la altura del componente, que de cada uno será la del componente más alto. Si somos críticos, comprobaremos cualquier interferencia con objetos mecánicos, y el modelo 3D más alto será la condición máxima. 

Pasos prácticos

• Realice una auditoría completa de los componentes utilizados en su entorno y determine la categoría y familia específicas de los mismos.

• Cree una carpeta con los modelos para cada categoría. 

• Cree las plantillas de sus componentes discretos, para facilitar la parte de creación. 

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