Типовой процесс разработки электроники

Для начала…

Надо учитывать, что у всех чип-вендоров есть свои особенности в разработке (импортные Intel, AMD, Qualcomm, российские Эльбрус, Байкал, Элвис и т.д.), и процесс несколько отличается, но общей картины это не меняет.

Плюс, надо учитывать, что объем статьи требует некоторого сжатия информации. Про каждый этап разработки или технологию можно написать отдельную большую статью. Итак, начнем.

На самом деле, порядка 70-80% всей разработки электроники сосредоточено на других этапах. Существенный этап разработки, который проходит еще до того, как схемотехник открыл Altium/Компас/иной CAD – это этап системного проектирования.

Системное проектирование

В нашем случае этот этап – это когда мы рассматриваем электронное устройство не просто как плату, а как часть большой системы, где устройство взаимодействует с другими устройствами, производится на каком-то заводе, является продуктом на рынке и т.д.

Традиционно мы разделяем 2 крупных блока в системном проектировании:

• 1. Сбор и уточнение требований

• 2. Функциональная диаграмма

Первый блок – крайне важный этап, на который нужно тратить много времени. По его итогам появляется на свет утвержденное всеми участниками ТЗ.

Техническое задание

Зачастую, когда к нам приходит внешний заказчик, ТЗ представляет из себя до 5 страниц вольного текста. А еще чаще запросы выглядят в виде фотографий девайса или ссылки на сайт и постановки задачи: «Надо сделать такой же!». И это нормально.

Для «взрослого» продукта требования должна составлять продуктовая команда, учитывая входящие требования от заказчика, прорабатывая и согласовывая с ним все нюансы. В большинстве случаев заказчик не имеет такой продуктовой команды и не обладает должным уровнем компетенций в разработке электроники, чтобы положить на стол грамотно выверенное ТЗ.

   Одновременно, при разработке функциональных диаграмм необходимо, в первую очередь, описать систему взаимодействия устройства с внешним миром (т. н. boundary diagram), нужно сразу определится с ключевыми компонентами (процессор, сокет, память, внешне интерфейсы и т.д.), просчитать питание и оценить требования по EMC и т.д.

   На этом этапе в продуктовую команду должен входить очень широкий круг специалистов. Помимо непосредственно тимлидов-разработчиков, там присутствуют:

· продакты (или коммерсанты), которые делают анализ рынка, формируют целевой облик и стоимость продукта, опрашивают заказчика и т.д.;

· специалисты по снабжению, которые анализируют доступность элементной базы, сроки и условия поставки, логистические и финансовые цепочки и т.д.;

· технологи, которые прописывают требования к технологичности изделия, на каком оборудовании и как мы это будем производить, как будем проводить промежуточное и функциональное тестирование и т.д.

На самом деле, по этому этапу можно отдельную статью делать.

Разработка аппаратной части

Когда мы завершили системное проектирование, можно приступать непосредственно к разработке аппаратной части, софту и корпусу. И если вы думаете, что для разработки софта под какой-то девайс, нужен этот самый девайс – это не совсем так.

Разработку прошивки можно начинать на отладочных платах – это такие специальные эталонные платы от производителя микросхем, либо покупные платы, где используются нужные микросхемы.

При этом, не имея конечного устройства, уже можно разрабатывать утилиты для программистов, разбираться в SDK чип-вендора, писать загрузчик, разворачивать CI/CD-инфраструктуру и так далее.

Разработка аппаратной части делится на 2 крупных блока – разработка электрической части и разработка корпуса (его элементов).

Разработка электрической части включает в себя множество подзадач:

• 1. разработку электрической принципиальной схемы,

• 2. иногда – схемы подключения,

• 3. схемы деления,

• 4. моделирование и расчет питания,

• 5. спецификации (BOM-лист),

• 6. топологию печатной платы,

• 7.  и множество других задач.

Чем сложнее изделие, тем выше специализация инженеров, разрабатывающих это изделие. Например, чтобы сделать плату полетного контроллера для дрона, зачастую может хватить компетенций 1 инженера, который сделает и схему, и топологию печатной платы, а порой и прошивку. Разработка серверной платы потребует высокой специализации и нескольких инженеров (порой до 6 инженеров-топологов на 1 плату).

По завершению системного проектирования параллельно с программным обеспечением и электроникой начинается разработка корпуса.

Разработка корпуса

На этапе системного проектирования уже формируются базовые требования к корпусу. Дальше начинается проработка дизайна. На этом этапе важно привлекать к работе именно промышленных дизайнеров, у кого есть опыт работы с корпусами для устройств. От других дизайнеров их отличает понимание в материаловедении, технологиях производства, эргономике, кинематики и т.д. То есть, веб-дизайнеру сделать хороший дизайн устройства будет крайне сложно – наломает много дров.

Для промышленных изделий, которые не предназначены к поставке простым потребителям, зачастую требования к внешнему виду, эстетике, эргономике и т.д. значительно ниже. Тут важнее надежность, ремонтопригодность, удобство в обслуживании и т.д. Условно говоря, продукты для корпоративного и розничного рынка зачастую проектируются по-разному.

Помимо дизайна, эргономики и т.д. необходимо:

1. 1. моделировать охлаждение и электромагнитную совместимость,

2. 2. анализировать и подбирать материалы, а также технологии производства,

3. 3. а также регулярно взаимодействовать с топологами и схемотехниками…

4. 4. и проводить проверку на интерференцию.

   Технологии производства корпусов условно делятся на несерийные, мелкосерийные и крупносерийные. Например, для пластика – это 3D-печать, литье в силиконовую форму и литье в стальную форму под давлением. В зависимости от серийности вашего изделия, корпус проектируется под определенную технологию производства. Строго говоря, корпус для 3D-печати и для литья под давлением отличается значительно, и документация на них разная.

   Когда у вас закончена схемотехника, топология печатной платы, корпус и собрана базовая прошивка, начинать заниматься закупкой компонентов уже поздно!

Но когда надо-то? Откатываемся назад…

Выбор ключевых компонентов

На этапе системного проектирования мы определяемся с ключевыми компонентами. Здесь, как минимум, понимаем, какой у нас будет центральный процессор, потому что всё остальное проектирование идет от него. И чаще на этом этапе мы определяемся и с большинством ключевых компонентов: память, АЦП, ЦАП, микроконтроллеры вспомогательные, ASIC, FPGA, питание и т.д. Все эти компоненты надо начинать закупать сразу, потому что сроки их поставки могут быть очень длинными (по сложным позициям могут доходить до 9 месяцев). Важно брать компоненты с технологическим запасом – брак и ошибки на этапе прототипирования никто не отменял.

Выбор производственных площадок

Желательно здесь же определиться с производственными площадками, так как на этапе проектирования изделия нужно формировать конструкторскую документацию под технологические особенности конкретного производства.

Например, если вы проектируете топологию печатной платы под западные фабрики, то тут проще, и можно будет позже подобрать производителя под ваши требования. А если вы проектируете печатную плату под российский завод, тут уже стоит взять технологические требования конкретного завода и установить для себя данные ограничения. Зачастую они вывешены на сайтах этих заводов.

То же самое с монтажом компонентов, производством корпуса и т.д.

Монтаж

После того, как вы произвели прототип, начинается очень интересный творческий процесс по «оживлению» платы – «брингап» (от англ. Bring up – поднимать). На предыдущих этапах важно подготовиться к брингапу: написать план, написать тестовую прошивку, подготовить необходимое оборудование.

На этом этапе решается одна самая важная задача – валидация дизайна, то есть проверка того, что схемотехника спроектирована верно.

   Когда у нас «ожил» прототип, начинается этап, целью которого является проверка изделия на соответствия заявленным требованиям. Он включает в себя несколько составляющих:

1. валидация,

2. верификация,

3. сертификация.

В зависимости от применения устройства, от условий эксплуатации и т.д. зависит и перечень этих испытаний. Например, для промышленных, медицинских и потребительских устройств перечень испытаний и сертификация значительно отличается.

   Но не всё так просто. Для проведения таких испытаний зачастую нужна специализированная оснастка, специфические тестовые прошивки (иногда отличные от тех, что использовали на брингапе) и т.д. Поэтому озаботиться этими вопросами для подготовки к испытаниям и сертификации нужно еще на этапе разработки. Снова откат.

И вот когда мы произвели и проверили наши прототипы, убедились, что они соответствуют всем требованиям, начинается процесс постановки на серийное производство.

Поставка на серийное производство

На этом этапе мы вносим корректировки в документацию на устройство, исключая все ошибки и недочеты, выявленные на предыдущем этапе. Одновременно разрабатывается программа и методики испытаний серийных изделий, тестовые стенды, оснастка (трафареты для принтеров, держатели…) и многое другое. Этот этап происходит в очень плотной работе с технологами выбранного производства.

   Верхнеуровневое представление о разработке устройств из трех пунктов разросся в несколько раз. И надо понимать, что за каждым пунктом скрывается множество подпунктов, а также команды высококвалифицированных инженеров совершенно различного профиля!

А как у вас происходит процесс разработки? Поделитесь, буду рад другим историям.