Een nieuw ontwerp is toch altijd even spannend. Hoeveel ervaring je ook hebt, zelfs de beste design-checklist is geen garantie dat iets in de echte wereld ook werkt zoals bedoeld. Want wat doe je eigenlijk met een allereerste prototype nadat je 'm vers uit de fabriek (of zelf bestukt) op je bureau hebt liggen?
Voorbereiding: het halve werk
De neiging is groot om een nieuw ontwerp snel de deur uit te doen en de eerste prototypes gelijk aan te sluiten om te kijken 'of ie het doet'. Maar hoe bepaal je dat eigenlijk? Welke dingen wil je gaan meten? Het is handig daar van tevoren al even over na te denken.
Wij maken een testplan met daarin de metingen die we van plan zijn om uit te voeren als bewijs dat het ontwerp in orde is. Na het uitvoeren van de nodige metingen krijg je van ons een duidelijk bring-up rapport met alle meetwaarden en bevindingen.
Per project schatten we in hoe uitgebreid dit nodig is. Snel opschalen naar grote series of complexe producten vereist meer zekerheid dan een eenvoudig breakout board. Maak dit plan idealiter voordat de PCB besteld is: je kunt dan strategisch wat test-pads plaatsen. Een mooi gold-plated testpoint meet een stuk makkelijker dan dat je aan de slag moet met micrograbbers of solderen op 0.5 mm pitch pinnetjes. Want je zult net zien dat die ene track verstopt zit in een binnenlaag van de print...
De eerste test: smoke-test?
Het idee achter de smoke-test is simpel: sluit de PCB aan op een voeding. Gaat je print op in rook? Dan is de test niet geslaagd. Duidelijk, maar ook erg definitief. Dat kan iets slimmer: wij berekenen vooraf welk stroomverbruik we verwachten en stellen de voeding in met een heel krappe stroomlimiet. Of expres een nog te lage voedingsspanning.
Die stroomlimiet doet twee dingen. Hij voorkomt dat één foutje gelijk destructief is. Maar minstens zo belangrijk: het maakt snel afwijkingen zichtbaar die anders onopgemerkt blijven. Een print die net wat meer stroom trekt dan verwacht gaat niet in rook op. Zonder stroombegrenzing kom je zo'n foutje pas veel later tegen, bijvoorbeeld tijdens het schrijven van de firmware. Of als het te laat is, in het veld.
Meestal gaat deze test gewoon goed. Meestal.
Uit de praktijk: meer dan 25 mA...
Laatst had ik een project waar deze test onmiddellijk faalde. Volgens mijn berekeningen zou het idle verbruik van deze printplaat slechts 25 mA moeten zijn, terwijl die gezekerd was op 2 A. Dus voorzichtig de labvoeding begrensd op 25 mA: helaas, meteen in current-limit. Kortsluiting? Nee, niet direct te vinden. Met wat meer stroom leek de print het in eerste instantie prima te doen. Alle spanningen waren keurig binnen specificatie.
Maar toch ging er bij mij een alarmbelletje af. Want ook al gaat het niet in elk ontwerp om minimaal stroomverbruik, de afwijking was toch een teken dat een stukje van het ontwerp niet helemaal begrepen is. Of niet helemaal klopt. En dat laatste bleek het geval.
Wetende dat er iets mis was, kon ik vrij snel achterhalen wat het probleem was: door goed op te letten op het verdampen van een laagje schoonmaakalcohol was duidelijk welk gebied op de PCB warm werd. Door kleine spanningsverschillen te meten werd duidelijk wat de boosdoener was: een TMUX1309A multiplexer. Een vrij simpele chip, wat kan daar mis mee zijn? Wat blijkt: we waren eerder in het ontwerp uitgegaan van de TMUX1109 of TMUX1209. Alle drie dezelfde functionaliteit, alle drie dezelfde footprint. Maar de TMUX1309A heeft een volledig andere pinout.
En precies daarom kwam dit niet in de review naar boven: de TMUX1309A stond keurig in de BOM en de footprint klopte. Alleen ging het symbool uit van de pinout van de 1109/1209. Sindsdien is dit een extra item geworden op onze design-checklist. En zijn we bezig dit soort checks verder te automatiseren.
Oplossen was gelukkig eenvoudig: de 1109 bestellen en vervangen. Een middagje rework in plaats van wachten op een nieuwe PCB-revisie.
We mikken natuurlijk op first-time-right, maar dit soort foutjes glippen er af en toe tussendoor. Juist daarom staat die stroombegrenzing als eerste stap in het testplan: hoe eerder je zo'n afwijking ziet, hoe goedkoper hij is.
Valideren van power rails en sensoringangen
Na een geslaagde smoke-test kijken we als eerste naar het gedrag van de power rails: is de 3.3 V ook echt 3.3 V, hoeveel ruis zit er op en is die binnen de verwachte marges? Soms zijn er geen keiharde specificaties, maar toch is het erg leerzaam om vooraf na te denken over wat je verwacht (en die verwachting zo nodig bijstellen).
Zijn er ingangen voor (analoge) sensoren? Dan kiezen we er meestal voor om een dummy aan te sluiten. Bijvoorbeeld een bekende spanningsbron in plaats van een echte sensor. Of een netwerkje van bekende (precisie)weerstanden in plaats van een PT1000 temperatuursensor. Want waar vergelijk je je sensor eigenlijk mee?
Het plaatsen van een 1000 ± 1 Ω weerstand, equivalent aan een PT1000 van 0 ± 0,26 °C geeft een stuk meer zekerheid over je meetresultaten dan je af te vragen hoe warm is het hier eigenlijk? iets van 25 graden klinkt wel plausibel?.
Een ander groot voordeel: je kunt deze test ook makkelijk herhalen. Bijvoorbeeld als QC-tool tijdens productie.
Dat kun je toch simuleren?
Sommige (stukjes) circuit zijn goed te simuleren (Dat kan vaak vrij gemakkelijk direct vanuit KiCad!). Simulaties helpen om snel een concept te valideren of performance te fine-tunen. Maar simulaties blijven net als ontwerpberekeningen toch beperkt door theorie en aannames die je moet doen. De werkelijkheid is soms toch net iets complexer. En hoe mooi is het om de meting naast de simulatie te kunnen leggen en te zien dat het netjes overeenkomt!
Neem dit pulsje. Een snelle flank omhoog, een vlakke top, en daarna een exponentieel aflopende staart. Waar het ons om ging is de rise time van ongeveer 1 µs. De simulatie voorspelde dat, en dat is precies wat we op de scope terugzien. Ook de rest van de vorm komt goed overeen, zeker gezien de toleranties die we verwacht hadden. Dat geeft vertrouwen. Niet alleen in dit ene pulsje, maar ook in de rest van het simulatiemodel.
Firmware-tests
Elk board is anders, maar vaak komt er ook firmware bij kijken. We schrijven een hardware-testfirmware waarin elke belangrijke peripheral getest wordt: werken de onboard sensors naar behoren, zijn klokfrequenties binnen de verwachte specificaties? Zodra alle basisfuncties aan de praat zijn kunnen bepaalde tests under load herhaald worden totdat we durven zeggen: deze print is gevalideerd.
De vervolgstappen? Afhankelijk van de toepassing kunnen hierop nog aanvullende tests volgen. Denk aan langdurige burn-in tests en CE (pre-)compliance scans. Daarvoor is vaak nog verdere firmware-ontwikkeling nodig, waarna het product als geheel met de volledige functionaliteit getest kan worden.
Hoe ziet dat er dan uit, zo'n test rapport?
Het beste antwoord daarop is een voorbeeld.
Bekijk het geanonimiseerde voorbeeldrapport (PDF)
Dit voorbeeldrapport is gebaseerd op een echt rapport en geeft een goede indruk van de teststructuur, pass-criteria, metingen en bevindingen zoals wij die in de praktijk hebben uitgevoerd.
Tot slot
Board bringup is bij ons geen kwestie van aanzetten en hopen dat het werkt. Onze aanpak in het kort:
- Vooraf bedenken wat we gaan meten. Een testplan met per meting een duidelijk pass-criterium.
- Voorzichtig beginnen. Strakke stroomlimieten, niet gelijk alles op vol vermogen. Een foutje mag tijd kosten, geen prototype.
- Meten met een verwachting. Niet 'ziet er goed uit', maar een meetwaarde toetsen aan vooraf vastgelegde toleranties. Beginnen met dummy's waarvan het gedrag herhaalbaar is.
- Vastleggen wat eruit komt. Een bringup rapport met meetwaarden, bevindingen en vervolgacties. Ook als alles in één keer goed gaat.
Wat je eraan overhoudt, is bewijs dat de print het doet. Inclusief de punten die nog aandacht nodig hebben.
Nieuwe hardware in ontwikkeling en benieuwd hoe zo'n testplan er voor jouw product uitziet? Neem contact op.