La selección de componentes en el diseño de hardware es un paso crucial para tener éxito en el desarrollo de productos electrónicos.
Durante este proceso de desarrollo, los expertos recomiendan seguir un ciclo de seis etapas que cubren desde la idea o concepto, hasta el lanzamiento, mantenimiento y disposición final.
Estas etapas componen el ciclo de desarrollo de producto electrónico, que el equipo de Cidei ya ha presentado antes en este blog.
Durante la etapa de diseño y desarrollo, y fundamentalmente en proyectos de desarrollo tecnológico, una de las actividades más importantes es la selección de componentes.
En esta entrega se abordarán algunas recomendaciones enfocadas en facilitar el proceso de selección de componentes en el diseño de hardware.
El objetivo es ayudar a que los equipos de desarrollo puedan mitigar riesgos como los siguientes, ordenados de menor a mayor impacto:
- Reprocesos en el diseño esquemático
- Retrasos de ruteo en el diseño de PCB
- Retraso en el tiempo de entrega del proveedor de ensamble
- Fallas en las pruebas de funcionamiento del dispositivo
- Rediseño parcial o total de un prototipo funcional
- Reemplazo de un producto recién lanzado al mercado por obsolescencia de sus partes
Si antes de avanzar con los pasos para una adecuada selección de componentes en diseño de hardware desea reforzar su base de conocimientos, le invitamos a la lectura de: Los fundamentos de diseño electrónico – Todo lo que debería conocer
Selección de componentes en el diseño de hardware – Lo que debe evitar
Los errores de software normalmente se solucionan implementando parches informáticos a las versiones de controladores del dispositivo, pero ¿Qué ocurre cuando el problema se debe a una incorrecta selección de hardware?
La inadecuada selección de componentes en el diseño de hardware puede comprometer el futuro del más prometedor proyecto, e incluso la rentabilidad y estabilidad de corporaciones enteras.
La firma MAD DEVS reseña cómo con frecuencia grandes marcas se ven obligadas a retirar del mercado lotes completos de dispositivos electrónicos, como fue el caso de Samsung en 2019 por errores en su línea de relojes inteligentes Galaxy Wearable y en 2017 por detalles con su Galaxy Note 7.
De acuerdo con la experiencia de Cidei construyendo prototipos de dispositivos electrónicos por más de 20 años, algunos errores comunes que cometen los equipos de desarrollo de hardware en la ejecución de esta actividad, son:
- La selección de componentes sobredimensionados (muy común en sistemas embebidos basados en microcontrolador)
- Seleccionar componentes con capacidades muy justas (muy común al seleccionar fuentes de alimentación)
- Incorporar componentes sin verificar que su huella (footprint) facilite el diseño de PCB y el posterior ensamble
- Asumir que un componente se encuentra en stock
- Seleccionar componentes en etapa de obsolescencia (ya dejaron de fabricarse o pronto lo harán).
A continuación, cinco puntos de atención al momento de la selección de componentes en diseño de hardware:
1. Los componentes claves del diagrama de bloques
Una vez se han definido los requerimientos y especificaciones técnicas del hardware, se inicia el diseño con un diagrama de bloques del sistema, el cual (como su nombre lo indica) representa los diferentes bloques gruesos que componen el dispositivo que se está diseñando. Por ejemplo:
- Bloque de alimentación
- Bloque de procesamiento
- Bloque de comunicaciones
- Etc.
En la entrega titulada las 7 herramientas clave para el diseño de productos electrónicos se describen las características y ventajas de usar diagramas de bloques.
A cada bloque en el diagrama, corresponde uno o varios circuitos electrónicos para los cuales se deben seleccionar sus componentes en la etapa de diseño esquemático.
A este nivel, la primera recomendación es definir el componente o componentes centrales de cada bloque, es decir, aquellos que regirán su funcionamiento.
Por ejemplo, si se trata de un bloque de alimentación, y la especificación técnica del sistema indica que la entrada principal de voltaje será de 12 VDC, entonces el bloque de alimentación contendrá el regulador o los reguladores necesarios, para suministrar los voltajes internos que requiere el sistema.
En este caso, los reguladores son los componentes centrales del bloque de alimentación.
Definir los componentes centrales de cada bloque tiene varias ventajas, a saber:
- Brinda un orden lógico al proceso de diseño esquemático
- Permite seleccionar los demás componentes del bloque, a partir de las especificaciones de la hoja de datos del componente central
- Enfoca la búsqueda, iniciando por los componentes más relevantes
- Obliga a validar que los componentes claves del circuito tengan stock disponible en los proveedores
- Permite identificar ajustes de diseño de forma oportuna, en caso de que no haya stock y se deban ajustar las especificaciones técnicas
2. Selección de componentes en el diseño de hardware ¿Diseño personalizado o integración?
El caso anterior describe el proceso cuando se hace un diseño personalizado, es decir, un diseño en el que se seleccionan al detalle los componentes y se construye un circuito electrónico a la medida, también conocido como diseño basado en componentes discretos.
Sin embargo, la práctica de definir el componente central de cada bloque también aplica cuando se llevan a cabo procesos de prototipado rápido basados en la integración de módulos prefabricados.
En este caso los proveedores pueden o no ser los mismos que se usan para la selección de componentes discretos, pero por lo general son tiendas especializadas locales, o distribuidores ubicados en Estados Unidos, Europa o China.
La selección del proveedor será crucial para cuantificar el tiempo de desarrollo, debido a los tiempos de entrega según la ubicación.
No es lo mismo para un desarrollador colombiano tener que comprar un módulo en una tienda local que en un proveedor de China. Más adelante se hablará un poco más en detalle sobre proveedores.
Mejore su comprensión de los términos más comunes empleados en diseño de hardware con el glosario de términos empleados en prototipado de productos electrónicos.
3. Preste atención a las especificaciones de los componentes
Cada componente, independientemente de que se trate de un componente discreto o de un módulo prefabricado, tiene una hoja técnica de datos o Datasheet, que describe las especificaciones de funcionamiento del componente.
Adicionalmente, las hojas de datos suelen incorporar circuitos típicos o circuitos recomendados, en los cuales presentan los componentes adicionales que se deben incorporar para dar un uso adecuado al componente descrito. Incluso agregan recomendaciones de ruteo que reducen considerablemente el tiempo de diseño.
En la entrada del blog de Cidei titulada 5 tips para el diseño de circuitos impresos en prototipos electrónicos, mostramos la importancia de las hojas de datos en el proceso de prototipado y su utilidad para el diseño de PCB.
Las especificaciones de un componente según la Datasheet – un ejemplo
Por ejemplo, en la Figura 2 se presenta el ruteo recomendado en la hoja de datos del circuito integrado MCP1252 de Microchip, el cual, es un chip orientado al diseño de fuentes conmutadas DC-DC de tipo “charge pump”, muy convenientes debido a que no requieren inductores.
Figura 2. Ejemplo de una recomendación de ruteo para el circuito integrado MCP1252. Fuente. Microchip.com
Como se puede observar en la imagen, el fabricante también está brindando los tamaños de las huellas de cada componente, lo cual, es de gran ayuda porque otro de los factores claves en la selección de componentes, es el encapsulado o dimensiones físicas de estos.
Selección de componentes según el encapsulado más adecuado para el dispositivo
Los encapsulados son las carcasas o empaquetados de los componentes electrónicos.
Los hay de diferentes tamaños y formas, existen encapsulados de circuitos integrados que tienen pines o “patas” de conexión, y otros que tienen pequeños contactos metálicos.
La selección de uno u otro dependerá de factores como:
- La complejidad del circuito
- El tamaño máximo o forma definidos para la PCB
- El tipo de ensamble a utilizar (manual o automatizado)
- La potencia requerida, en el caso de reguladores o chips para control de actuadores
- El tipo de proveedor preferido, sea una tienda local o un proveedor internacional.
Wevolver hace una buena descripción de los distintos encapsulados para circuitos integrados y sus usos principales.
Selección de componentes en diseño de hardware - 3 (y más) elementos a tener en cuenta
Es clave tener en cuenta estos elementos cuando se define un componente a incorporar en el sistema. Aquí algunos ejemplos:
- Si se requiere un diseño muy compacto, lo más probable es que se deba trabajar con componentes de montaje superficial (SMT) en encapsulados pequeños.
- Si es obligatorio comprar los componentes en tiendas locales y bajar costos de ensamble, se podría diseñar con componentes de tipo THT para ensamble manual.
- Si se hará ensamble manual, pero con componentes SMT, es recomendable evitar los circuitos integrados QFN o BGA debido a la alta dificultad y riesgos que conlleva su ensamble manual.
Y la lista puede seguir con infinidad de restricciones, según el dispositivo en particular que se esté desarrollando. A este nivel el mensaje es: preste atención a las especificaciones del sistema, para que así pueda prestar atención a las especificaciones del componente.
4. Selección de componentes en el diseño de hardware - El proveedor
En las líneas anteriores, se mencionó el uso de proveedores locales y globales, y cómo ello también puede determinar el tipo de componentes a usar en el proceso de desarrollo del dispositivo electrónico, desde la etapa de diseño esquemático.
Selección de componentes ¿Proveedor local o proveedor global?
Puede que el equipo de desarrollo haya hecho un diseño espectacular, compacto, con componentes de última generación, resultados satisfactorios de simulación y un diseño de PCB impecable orientado a ensamble automatizado a dos capas. Pero si los requerimientos indican que se debía trabajar con proveedores locales de componentes y limitar el diseño de PCB a una capa para reducir costos, lo más probable es que tendrán que iniciar desde cero todo el proceso.
Le recomendamos que consulte por los proveedores locales de componentes de su ciudad, y luego revise proveedores en otras ciudades.
Se sorprenderá con la cantidad y variedad de componentes electrónicos que puede encontrar, los cuales pueden en principio ayudarle a resolver necesidades de prototipado rápido.
Cuando el proceso escala a mayores confiabilidades en los componentes, así como en la manufactura y el ensamble, luce recomendable avanzar en el contacto con proveedores globales.
Dos grandes proveedores globales
Cuando esté en condiciones de dar el salto hacia proveedores internacionales, tenga presente a los dos proveedores de componentes electrónicos más conocidos, que son Mouser Electronics y DigiKey.
Estas empresas no solo proveen componentes, sino que también brindan en sus sitios web información de alto valor para los equipos de diseño y desarrollo de productos electrónicos, como:
- Recomendaciones de diseño
- Notas de aplicación de circuitos
- Video- tutoriales
- Y además realizan eventos online gratuitos como cursos o webinars.
Selección de componentes – La importancia del Stock
Una vez seleccionado el proveedor de su preferencia, para cada componente debe verificarse su stock disponible. Esto es clave desde la etapa de diseño esquemático, ya que un caso muy común es el que describimos en la siguiente narrativa:
Un ingeniero del equipo de trabajo elaboró el circuito esquemático y no verificó el stock de un circuito integrado clave para el funcionamiento del sistema.
Otro ingeniero encargado del diseño de PCB recibió el proyecto y tampoco verificó los componentes, y cuando la tarjeta estuvo diseñada para contratar la fabricación y el ensamble, se dieron cuenta de que no se conseguiría el componente.
Pasaron semanas encontrando un componente de reemplazo y rediseñando tanto el esquemático como la PCB, ya que el componente adecuado tenía un encapsulado y disposición de pines completamente diferente al utilizado inicialmente.
¿Se le hace conocida esta historia?
Un apunte adicional con respecto a los proveedores de componentes, es que la verificación de stock también puede hacerse según el sitio de manufactura y ensamble.
Por ejemplo, si su lista de componentes es de DigiKey, y va a contratar fabricación y ensamble en China, puede hacer la búsqueda de los componentes en DigiKey China (https://www.digikey.cn/) y asegurarse de que efectivamente haya disponibilidad allí.
La selección de componentes en diseño de hardware es solo un paso en el desarrollo electrónico.
5. Tener siempre un Plan B (y un Plan C, por si acaso)
En el año 2020, con la llegada de la pandemia de COVID-19 se presentó una interrupción en la cadena de suministro de componentes electrónicos a nivel global, que cuatro años después sigue planteando retos para el desarrollo de dispositivos electrónicos.
Es por esta razón que nuestra recomendación final para la adecuada selección de componentes en el diseño de hardware, es tener siempre un plan B para los componentes críticos del sistema.
En cada diseño existe siempre uno o dos componentes que resultan ser claves.
En algunos sistemas embebidos es el microcontrolador, en otros diseños puede ser un convertidor analógico/digital (ADC) especial, un regulador de voltaje o un sensor específico, cuyo bajo consumo de energía es crucial para la duración de la batería del dispositivo electrónico.
Tener un plan B consiste en identificar componentes de reemplazo para las partes críticas, en caso tal de que no se encuentre stock al momento de la fabricación. Asimismo, implica que en el diseño esquemático y en el diseño de PCB se considere la posibilidad de tener que cambiar dichos componentes.
Y si se puede tener un plan C, mucho mejor, ya que así se asegurará que el proyecto sufra lo menos posible en tiempo y presupuesto, por problemas con el suministro de componentes.
Selección de Componentes en el Diseño de Hardware -Conclusión
El proceso de diseño y prototipado de dispositivos electrónicos tiene numerosos detalles que pueden causar retrasos. Si no se cuida de dichos detalles, desde etapas tempranas, se corre el riesgo de generar impactos negativos al cronograma y al presupuesto.
En esta entrega presentamos algunas recomendaciones para la adecuada selección de componentes en el diseño de hardware.
Se trata de aspectos claves que hemos identificado con base en nuestra experiencia, para mitigar riesgos por reprocesos en diseño, fabricación y ensamble, y que estamos seguros pueden aportar a las capacidades de los desarrolladores de hardware para abordar diseños cada vez más complejos de forma ordenada y responsable.
Si quiere conocer más acerca de la industria electrónica y el diseño y prototipado de producto electrónico, suscríbase a nuestro blog.
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