Los 5 desafíos a la hora de desarrollar equipos electrónicos
La escasez mundial de semiconductores provocó importantes interrupciones en la producción de OEMs en el sector automotriz, productos electrónicos de consumo y de salud. Para no dejar de producir, muchas empresas se vieron obligadas a depender de proveedores no oficiales para obtener los componentes necesarios, creando una cierta incertidumbre sobre la calidad de las piezas recibidas. Por otra parte, determinadas empresas no tuvieron otra opción que la de sustituir los componentes utilizados anteriormente por otros alternativos debido a la escasez en la cadena de abastecimiento.
Cambiar de componente o de proveedores puede acarrear graves problemas de operación, en especial en aplicaciones de alta fiabilidad como las de la industria médica o aeroespacial. Sustituir un componente puede hacer que el producto pierda la certificación y que se necesite efectuar nuevas pruebas de compatibilidad electromagnética, integridad de señales, gestión térmica y vida útil.
En este escenario mundial, las soluciones de simulación computacional de Ansys son las más adecuadas para hacer que el desarrollo de equipos electrónicos resulte más confiable, robusto y adaptable a la cadena de suministros que utiliza la empresa.
Es posible evaluar 5 grandes desafíos en un entorno virtual para lograr un diseño eficiente:
- Compatibilidad e interferencia electromagnética.
- Integridad de señales y potencia
- Análisis de dispositivos wireless
- Gestión térmica de PCBs
- Fiabilidad electrónica
Desafíos en materia de compatibilidad electromagnética, integridad de señal y potencia en el desarrollo de equipos electrónicos
Al desarrollar cualquier producto electrónico existe un paso crucial llamado prueba de compatibilidad electromagnética. Con frecuencia, se trata de un gran desafío para la ingeniería de desarrollo y una etapa de gran riesgo para la estrategia de entrada al mercado, ya que se necesita certificar el producto para poder venderlo.
El no tener el 100% de seguridad de que no existen problemas de compatibilidad o interferencia en una PCB hasta que comienzan las pruebas de prototipos siempre fue un obstáculo. El proceso es largo, lento, agotador y muy costoso para que los ingenieros tengan un producto listo para la venta, poniendo en riesgo la estrategia de mercado. Este problema se agrava aún más por la denominada crisis de los componentes electrónicos.
¿Y si existiera un modo de minimizar los riesgos detectando los problemas de EMI/EMC antes de realizar pruebas muy costosas, optimizar el producto, tener libertad para innovar sin altos costos, ajustar rápidamente el diseño a los componentes disponibles en el mercado y lanzar el producto al mercado más rápidamente? Esto es exactamente lo que ofrecen las soluciones de simulación Ansys para el diseño y desarrollo de equipos y productos electrónicos.
Accede el webinar Mejores prácticas de simulación para el análisis de la fiabilidad de electrónicos para conocer más detalles sobre la utilización de la simulación para acelerar el diseño de productos.
Ansys HFSS: Una herramienta para el desarrollo y análisis completo de equipos electrónicos
Ansys HFSS es una herramienta de simulación computacional preparada para permitir a que los usuarios representen un laboratorio de medición completo dentro de un entorno virtual. La placa electrónica puede configurarse y posicionarse para pruebas, como las de emisiones radiadas, realizadas siguiendo diferentes normas de certificación.
Una simulación de cámara anecoica realizando pruebas para la industria automotriz.
La herramienta dispone de una serie de configuraciones predefinidas para pruebas de emisiones radiadas, conducidas, descargas estáticas, entre otras. Toda la biblioteca es configurable según la norma deseada por el usuario, proporcionando también modelos de Line Impedance Stabilization Network (LISN) y diversos componentes para configurar PCBs que se evaluarán.
También se puede importar informaciones de parámetros S, modelos SPICE e IBIS para pruebas de circuito, creando un flujo de trabajo que comienza con pruebas de integridad de señales, integridad de potencia, sensibilidad y mitigación de interferencias en PCB. Todo ello con pruebas rápidas para garantizar la adecuación del diseño a las piezas disponibles en el proveedor, manteniendo el comportamiento del producto.
Análisis de integridad de señales considerando el layout de PCB.
Después del análisis de circuitos, se consideran los efectos sobre el layout 3D de la placa, evaluando crosstalk, estudio de backdrilling vía, optimización de la distancia de un oscilador a la señal de reloj, entre otros.
Por último, se considera el producto completo en la simulación. Con todas las estructuras mecánicas y electromagnéticas calculadas, es posible alcanzar niveles de precisión que permiten utilizar la simulación para optimizar dinámicamente el producto, con el objetivo de superar las certificaciones exigidas por los mercados en los que se comercializa.
Configuraciones de pruebas preconfiguradas dentro de Ansys HFSS.
Para conocer más detalles sobre cómo configurar y realizar pruebas EMI/EMC en el entorno informático utilizando Ansys HFSS, accede a la masterclass EMI/EMC – Compatibilidad electromagnética y acceda a nuestro flujo de trabajo para simular emisiones conducidas y radiadas.
Desafíos de los sistemas wireless en el desarrollo de equipos electrónicos
La quinta generación de redes móviles, conocida como 5G, es una tecnología disruptiva que está revolucionando la sociedad y la forma en que vivimos, aportando una realidad de los dispositivos sin cables sin precedentes. Gracias a una importante evolución tecnológica respecto a la antigua tecnología 4G LTE (Long-Term Evolution), la 5G ofrecerá un aumento de las tasas de transmisión de datos de 10 Mbits/s a más de 1 Gbit/s, con una mayor eficiencia energética, 1.000 veces más ancho de banda por unidad de área, 10.000 veces más tráfico de datos y 100 veces más dispositivos conectados por unidad de área.
Por su elevada confiabilidad, velocidad, seguridad y soporte para la conexión de billones de dispositivos, el sector 5G tiene una proyección de crecimiento ilimitada, siendo primordial para el desarrollo de tecnologías actuales y futuras, como los dispositivos para el Internet de las Cosas y la Industria 4.0.
Ser capaz de desarrollar dispositivos eficientes capaces de integrarse con las futuras redes 5G es esencial para el sector de la electrónica. Debido a desafíos como la creciente complejidad en la tecnología, la adaptación a la falta de componentes en el mercado y las exigencias de diseño en un corto periodo de tiempo de desarrollo, los ingenieros y diseñadores de las mayores empresas del mundo recurren a las soluciones de simulación de Ansys para obtener una ventaja competitiva y no perder parte del mercado.
Diseño de Antenas
La 5G requiere diseños de antenas más complejos, que utilizan matrices de antenas activas para proporcionar una mejor cobertura, reducir las interferencias y aumentar la capacidad de transmisión de datos.
Para el análisis de matrices de antenas activas a través de Ansys HFSS es posible utilizar diversas técnicas de análisis. Cada técnica puede aplicarse de acuerdo con los objetivos y las etapas del proyecto.
Utilizando Unit Cell, es posible diseñar un elemento del array y considerar con periodicidad infinita para comprender el comportamiento general del Array. Finite Array Domain Decomposition es una técnica avanzada con la que es posible definir cuántos, qué elementos y qué geometría del array se analizará, realizando una malla para cada célula y replicando para elementos similares. Por último, Explicit Finite Array considera todas las iteraciones y efectos electromagnéticos y crea una malla optimizada para la geometría real del dispositivo.
Acceda el webinar gratuito para Desafíos de las EMI/EMC en proyectos de la era 5G conocer mejor cómo configurar y realizar pruebas de antena y conectividad en un entorno computacional utilizando Ansys HFSS.
Simulación de un escenario operativo
Uno de los grandes desafíos de la tecnología 5G y también de cualquier proyecto de red wireless es el posicionamiento y funcionamiento de antenas en un escenario real. Se requieren gran cantidad de pruebas prácticas y puede existir regiones de sombra que perjudiquen la cobertura y el funcionamiento de los sistemas.
Las soluciones de simulación computacional de Ansys no sólo son perfectas para el diseño de productos, sino también para implementar redes y realizar pruebas en escenarios indoor y outdoor. De ese modo, podemos estudiar cómo se comporta la energía radiada por una antena en cualquier escenario, optimizar la ubicación de las antenas y garantizar una red mucho más optimizada, eficiente y con frecuencia con un menor número de antenas y puntos de acceso. En la siguiente figura se puede ver uno de estos análisis. El ingeniero de RF puede probar desde el diseño de la antena, hasta el mejor posicionamiento en una torre de comunicaciones para luego instalar la torre en un punto estratégico de una ciudad comprobando la cobertura.
Escenario de simulación con un conjunto de antenas en una torre y funcionando en una ciudad.
Desafíos de la Gestión Térmica en el desarrollo de equipos electrónicos
Los dispositivos electrónicos modernos son más veloces, más pequeños y más compactos. Como diseñamos millones de transistores en un área tan reducida, estos dispositivos tienden a generar demasiado calor. Los efectos mecánicos inducidos por el calor, como la delaminación y rotura de uniones soldadas que conectan los chips a las placas de circuito impreso (PCB), pueden causar problemas de fiabilidad en todo el sistema.
Es fundamental simular las propiedades electrotérmicas y estructurales de el diseño de electrónico antes de construir el hardware. Las herramientas de simulación de Ansys ayudan a resolver estos problemas y a mejorar la fiabilidad y el rendimiento de los productos electrónicos.
Si consideramos las placas gráficas (también conocidas como GPUs), estamos presenciando una expansión múltiple de usos en diversas aplicaciones. Las criptomonedas están aumentando la demanda por GPUs debido a su capacidad de acelerar el proceso de minería de criptomonedas. Además de gráficos y minería de bitcoins, las GPUs también se están utilizando para computación de alto rendimiento, aprendizaje automático, finanzas computacionales, así como conducción automatizada/avanzada de asistencia al conductor (ADAS).
En esencia, una placa gráfica es un PCB que cuenta con su propia unidad de procesamiento (normalmente con cientos de núcleos de computación) y memoria DDR de alta velocidad. Como ocurre con cualquier dispositivo electrónico, los problemas relacionados con las placas gráficas pueden clasificarse como eléctricos, térmicos y mecánicos. Además del calor que producen los propios chips, el flujo de corriente dentro de los planos de energía puede causar calentamiento, lo que provoca problemas inducidos por el calor.
Ansys Icepak
Ansys Icepak puede predecir estos problemas térmicos en un prototipo virtual mucho antes de fabricar la tarjeta gráfica. Puedes realizar análisis térmicos independientes y simulaciones electrotérmicas multifísicas en Icepak.
Como parte integrante de Ansys Electronics Desktop, Icepak trabaja conjuntamente con los solucionadores electromagnéticos (EM) en un entorno unificado. Ofrece potentes características en una interfaz amigable y una completa biblioteca de componentes térmicos de uso común para resolver los problemas térmicos de los dispositivos electrónicos.
Para más detalles sobre cómo realizar proyectos de gestión térmica en un entorno computacional utilizando Ansys Icepak, accede el webinar gratuito Análisis térmico de equipos electrónicos.
Ansys Icepak permite importar fácilmente layouts eléctricos CAD (o ECAD) y modelos mecánicos CAD (o MCAD) de componentes. Puedes añadir fácilmente componentes 3D como ventiladores y disipadores de calor desde la biblioteca integrada.
Puedes realizar simulaciones paramétricas para estudiar los efectos de distintos niveles de potencia en los componentes. Icepak puede realizar análisis de potencia máxima y predecir temperaturas de funcionamiento seguras de la placa gráfica y sus componentes antes de que sufran una posible rotura inducida por el calor.
Análisis de la potencia máxima de una CPU en una placa gráfica en Ansys Icepak.
Simulación de la disipación térmica de una placa gráfica en Ansys Icepak.
Ansys Icepak es la principal solución de refrigeración electrónica para ICs, PCBs, ordenadores y data centers. Además de análisis térmicos independientes, puedes combinar Icepak con productos EM como HFSS, Q3D Extractor y Maxwell para simulaciones electrotérmicas de antenas, electrónica de potencia y maquinaria eléctrica.
Desafíos de fiabilidad electrónica en el desarrollo de equipos electrónicos
El intercambio de componentes puede implicar un simple intercambio «igual por igual» sin rediseño. En otros casos, la falta de componentes puede justificar un gran cambio en el diseño del conjunto de la PCB, incluyendo la reordenación de los pasivos en la placa o rediseños más complejos. El nivel de cualificación requerido depende no sólo de cuánto se haya rediseñado, sino también de si es necesaria una nueva cualificación debido a los requisitos de cumplimiento de la industria o aplicación específica. Los enfoques de la física de la fiabilidad pueden lograr todos estos escenarios.
El análisis físico de la fiabilidad (RPA) o física de fallos (PoF) abarca la fiabilidad como parte integrante del proceso de diseño, basando las evaluaciones de la fiabilidad en el mecanismo de avería. Este análisis de causa y efecto se orienta por el diseño, la geometría, el material y el entorno, proporcionando a los ingenieros información valiosa y aplicable. La RPA ofrece tres vías para acortar el proceso de cualificación de la fiabilidad al que se enfrentan los OEMs obligados a cambiar de componentes o proveedores durante esta agitada escasez de piezas.
Prueba de vida acelerada (ALT)
ALT somete a los ensamblajes a condiciones extremas, más allá de su entorno operativo normal, para identificar posibles modos y mecanismos de falla. A continuación, una vez que el tiempo hasta fallar (TTF) se determina experimentalmente en la condición extrema, se utiliza el RPA para predecir el TTF en la condición de uso.
El factor de aceleración (AF) entre los TTF extremos y en uso se basa en la física de la fiabilidad. Las empresas utilizan ALT desde hace años para acortar el tiempo de cualificación de la fiabilidad, pero aún así puede consumir mucho más tiempo y recursos de los deseados o necesarios. Las pruebas de vida útil acelerada pueden durar semanas, meses e incluso años.
Simulación basada en RPA
Las simulaciones RPA pueden modelar virtualmente una pieza o un producto a partir de entradas de material y analizar los riesgos de fiabilidad en función de distintos mecanismos de avería, incluidos el choque mecánico, la vibración y la variación de temperatura. Con años de datos de pruebas físicas disponibles para ajustar las simulaciones, Ansys Sherlock tiene una precisión comprobada. Esto hizo que la simulación RPA sea cada vez más aceptada por la industria para sustituir a las pruebas físicas.
La herramienta Ansys Sherlock prueba una placa de circuito impreso para prevenir riesgos de fiabilidad derivados de los ciclos de temperatura.
Accede el webinar Fiabilidad en los productos electrónicos con Ansys Sherlock para más detalles sobre cómo realizar pruebas de fiabilidad de PCB con simulación computacional.
La fiabilidad de un componente puede determinarse en días frente a las semanas o meses necesarios para las pruebas físicas. Además, la simulación puede evaluar varias piezas de recambio simultáneamente y logra ejecutar iteraciones de simulación con rapidez a medida que surgen nuevos datos. Dado que la simulación RPA proporciona evaluaciones de fiabilidad rápidas y precisas, se ha convertido en una valiosa herramienta para OEMs que enfrentan un cambio de piezas debido a la crisis de escasez de piezas.
Debido a la crisis mundial de escasez de piezas causada por retrasos en la cadena de suministro y la elevada demanda, los fabricantes de productos electrónicos tuvieron que cambiar y recurrir al intercambio de componentes. Lamentablemente, estas estrategias pueden conllevar mayores riesgos de fiabilidad o exigir una recalificación debido a los requisitos de cumplimiento. En cualquiera de estas situaciones, implementar la simulación computacional mediante Ansys Sherlock para las pruebas de fiabilidad puede ayudar a los fabricantes a reducir el tiempo de cualificación y el costo de los recursos.
