Análisis de PCB

El 5G cambiará la industria electrónica

Se prevé que el 5G, la nueva revolución tecnológica, traiga consigo importantes cambios. ¿Cómo afectará al diseño y a la producción electrónica?

Scott Stonham, fundador de innovationscouts.tech, ha publicado un informe -basado en la última edición del Mobile World Congress de Barcelona (#MWC19)- con algunas pistas sobre cuáles son los cambios que están por venir.

El 5G en el sector automotor

El sector del automóvil se presenta entre aquellos con más posibilidades. Scott Stonham afirma lo siguiente: “Respecto al año pasado, el foco de atención se ha desplazado de los vehículos autónomos a los vehículos conectados”. Los operadores de telecomunicaciones tienen grandes expectativas puestas en este sector. Vodafone ha declarado que los vehículos conectados son para ellos el sector con un crecimiento más rápido como número de conexiones.

Aún así, en lo que se refiere a la comunicación V2x -es decir, la comunicación entre vehículos y entidades externas-, a día de hoy, IEEE 802.11p se mantiene como la tecnología más eficaz.

El 5G en el sector médico

El sector médico podrá beneficiarse de todas las características de esta tecnología:

  1. aumento de la velocidad,
  2. capacidad para un número mucho mayor de conexiones por celda,
  3. mejora significativa de la fiabilidad y de la latencia.

En el MWC de Barcelona se presentó un posible ámbito de aplicación: la cirugía robótica remota. De hecho, durante el evento fue posible asistir a la primera intervención de cirugía controlada en directo.

Otras aplicaciones potenciales en ámbito médico van de las apps para la donación de sangre al envío de ambulancias y otros medios de socorro en caso de necesidad.

El 5G en el sector de los videojuegos

Otro ámbito con grandes expectativas es el de los videojuegos, los cuales exigen altas velocidades y bajas latencias. El negocio de los videojuegos podría encontrar en la tecnología 5G un aliado para el desarrollo del juego en la nube. En el siguiente vídeo se aprecia cómo, gracias al ancho de banda de la red, el dispositivo del jugador puede aprovechar la potencia de cálculo de los servidores remotos.

Las 5 generaciones de telefonía móvil

“5G” hace referencia a la quinta generación de teléfonos, que ha evolucionado desde los primeros modelos de teléfonos basados en la tecnología analógica de finales de los años ’70.
Generación1G2G2.5G303.504GSG
Inicio1970-19801990-20002001-20042004-20052006-20102011-hoyPronto (2020)
Ancho de banda2 Kbps64 Kbps144 Kbps2 MbpsMás de
2 Mbps
1 GbpsMás de 1 Gbps
TecnologíaAnalog
Cellular
Digital
Cellular
GPRS,
EDGE,
CDMA
CDMA 2000
(1xRT, EVDO)
UMTS, EDGE
EDGE.
Wi-Fi
WiMax LTE
Wi-Fi
wwww
EmisorVoiceDigital Voice, SMS,Higher Capacity Packet Size

Data

SMS,
MMS
Integrated
High Quality
Audio, Video &
Data
Integrated High Quality Audio, Video & DataDynamic Information access, Wearable DevicesDynamic Information access, Wearable Devices with AI Capabilities
MultiplazioneFDMATDMA,
CDMA
CDMACDMACDMACDMACDMA
SwitchingCircuitCircuit,
Packet
PacketPacketAll PacketAll PacketAll Packet
Rete principalePSTNPSTNPSTNPacket N/WInternetInternetInternet
HandoverHorizontalHorizontalHorizontalHorizontalHorizontalHorizontal &
Vertical
Horizontal &
Vertical

Fuente: Rehman Talukdar & Mridul Saikia.

Diferencias entre el 5G y el 4G

El 5G está despegando y, según los analistas, el 4G será la tecnología dominante hasta el año 2021.

La nueva tecnología se diferencia de las anteriores en la velocidad, que alcanza picos de hasta 20 Gbps (en la práctica, se habla de 1,4 Gbps). El 4G (LTE) alcanza los 4.000 Mbps (100 Mbps en la práctica). La longitud de onda es muy pequeña y las frecuencias son altas (hasta 300 GHz). Esto significa que la transmisión es mucho más sensible a la distancia -al alejarse de la antena, la potencia disminuye mucho más que en el caso del 4G- y a los obstáculos físicos. Por este motivo, son necesarias muchas más antenas.

Otra diferencia significativa tiene que ver con el tiempo de latencia, que se reduce hasta alcanzar valores por debajo de los 10 milisegundos e, incluso, 1 Ms en algunos casos. El 4G, por su parte, no baja de los 20 Ms, especialmente en presencia de múltiples conexiones contemporáneas. La latencia mide la velocidad de respuesta de un sistema, definida como el intervalo de tiempo que transcurre entre el momento en el que llega el input o señal y el momento en el que el output está disponible.

Por último, el 5G se distingue del 4G por su mayor capacidad de gestión de múltiples conexiones de manera simultánea.

El 5G en el diseño electrónico

La llegada del 5G tendrá un impacto en el ámbito de la electrónica, que variará en función del tipo de aplicación y dispositivo. Los teléfonos inteligentes, la realidad virtual y el IoT serán los afectados en mayor medida.

William G. Wong, de Electronic Design, afirma que, para diseñar y desarrollar dichos dispositivos, será clave contar con los instrumentos adecuados para el testado y la medición de los parámetros temporales. Sean D’Arcy, Director of Aerospace and Defense en Analog Devices, sostiene que “antes de que el 5G sea accesible a nivel mundial, las tecnologías de radiofrecuencia encontrarán puntos de control críticos en las prestaciones. Será de gran importancia la disponibilidad del espectro, ya sea alta, media o baja. Por debajo de los 6 GHz, el nivel de cobertura se realizará masivamente a través de MIMOs (sistemas dotados de entradas y salidas) utilizando la infraestructura existente, seguida por una densificación. La instalación de pequeñas células será crítica para la distribución del 5G, para poder aprovechar las frecuencias más elevadas”.

Piyush Sevalia, Executive Vice President of Marketing en SiTime realiza una observación muy interesante: “En 2019, las soluciones de temporalización MEMS proliferarán, ya que aportan beneficios exclusivos que no ofrecen las soluciones de temporalización tradicionales. En concreto, los mercados del 5G y de las telecomunicaciones, automotor e IoT, se beneficiarán ampliamente de las dimensiones, fiabilidad y prestaciones de las soluciones de temporalización MEMS, que significa Micro Electro-Mechanical Systems (microsistemas electromecánicos). La sigla indica un conjunto de dispositivos de diferente naturaleza (mecánicos, eléctricos y electrónicos) integrados en miniatura en un mismo sustrato de material semiconductor, como el silicio, y que conjugan las propiedades eléctricas con propiedades optomecánicas”.

“En las redes y en las comunicaciones”, continúa Sevalia, “los tiempos y la sincronización son esenciales para el sistema en su conjunto. La resiliencia de la temporalización de los MEMS proporciona prestaciones inagotables, fundamentales para la implementación del 5G cuando se propaga por ambientes menos controlados y más difíciles. La misma exigencia de fiabilidad y prestaciones dinámicas se encuentra detrás del uso creciente de los resonadores MEMS en el sector del automóvil, donde los sistemas han de operar con fiabilidad en condiciones difíciles. En el ámbito IoT, la temporalización MEMS proporciona dimensiones y peso reducidos y baja potencia”.

El 5G encierra un interesante potencial. Pero, la implementación de nuevas tecnologías lleva tiempo. Por ello, serán el 3G y el 4G las tecnologías en las que se basarán por ahora las soluciones IoT, IIoT y para la Industria 4.0. Wong advierte que “la mayoría de las aplicaciones IoT no necesita una conexión de banda ancha”. La versión M2M (Mobile2Mobile) de la especificación de comunicación wireless LTE “puede ofrecer 1 Mb/s, mientras que las demás opciones disponibles son mucho más lentas. El 5G permitirá una capacidad de transmisión significativamente más alta, allanando el camino a nuevas aplicaciones”.

Comparativa: Tecnología 802.11p y 5G para el automóvil

Descarga el libro blanco gratuito de Siemens

Ready to roll: Why 802.11p beats LTE and 5G for V2x

Cómo la comunicación V2x, que implica los vehículos que intercambian datos entre ellos y la infraestructura, ha demostrado que mejora la seguridad del tráfico y aumenta la eficiencia de los sistemas de transporte. La tecnología de comunicación de corto alcance (DSRC), basada en IEEE 802.11p, ha sido objeto de una amplia estandarización, desarrollo del producto y pruebas por parte de todas las partes interesadas y ha demostrado numerosos beneficios para el ámbito V2x. A diferencia de las tecnologías celulares, la DSRC está lista para la implementación V2x y puede ser aplicada a los casos de uso V2x más desafiantes.

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Diseño de circuitos impresos: Xpedition y PADS Professional obtienen la conformidad con la norma ISO 26262 para la seguridad funcional en el sector automotor

Xpedition y PADS Professional, los softwares de Mentor-Siemens para el diseño de circuitos impresos, así como Valor NPI e HyperLynx, herramientas para la gestión del proceso de diseño de circuitos impresos, han obtenido la conformidad con la norma ISO 26262 para la seguridad funcional en el sector automotor. La agencia internacional TÜV SÜD ha sido la encargada de evaluar Xpedition y PADS Professional.

Qué es la norma ISO 26262

La norma ISO 26262 regula la seguridad funcional en la industria automotriz. En concreto, sirve para regular la seguridad funcional de los sistemas eléctricos y electrónicos de los vehículos motorizados. Esto incluye tanto la actividad de los proveedores de productos genéricos como los componentes software y hardware y los instrumentos para el desarrollo empleados en el sector.

La norma establece requisitos precisos para los procesos, las metodologías y los instrumentos utilizados durante el proceso de desarrollo, así como las funciones de seguridad de los sistemas. ISO 26262 tiene el objetivo de dar respuesta al creciente nivel de complejidad de los sistemas de seguridad eléctricos y electrónicos instalados en los automóviles.

Los fabricantes de vehículos han de integrar los requisitos ligados a la seguridad funcional desde las fases iniciales del proceso de desarrollo para garantizar la seguridad funcional desde las fases de diseño hasta el final del ciclo operativo. Por este motivo, las herramientas empleadas para el diseño adquieren un papel clave en lo que se refiere al cumplimienteo de los requisitos de seguridad funcional.

Qué es la seguridad funcional

Los requisitos de seguridad funcional incluyen todas y cada una de las fases de desarrollo del automóvil, desde las especificaciones hasta el lanzamiento del producto en el mercado. ISO 26262 se trata de una adaptación del estándar IEC 61508 para los sistemas eléctricos y electrónicos del ámbito de la automoción. El estándar IEC 61508 establece cuáles han de ser las características de los sistemas de seguridad para cualquier tipo de sector industrial. Establece, en concreto:

  • los contenidos del sistema de calidad empresarial relacionados con la seguridad funcional de los productos (FSMS: Functional Safety Management System);
  • los métodos para la determinación del PFD (Probability of Failure on Demand) o PFH (Probability of Failure per Hour) o del SIL (Safety Integrity Level), es decir, la definición de la fiabilidad de los componentes, aparatos y sistemas empleados en las aplicaciones de seguridad.

Normalmente, los sistemas de seguridad que se tienen en cuenta son los sensores y los transductores, los logic solvers -para determinar si un elemento puede activarse en aras de la seguridad en momentos de necesidad- y los elementos finales, como actuadores o accionadores de la función de seguridad.

La probabilidad de fracaso (PFD o PFH) determina la probabilidad de que un dispositivo o sistema no sea capaz de proporcionar la función de seguridad requerida. Esta probabilidad se indica con un nivel SIL, en función de una escala numérica que comprende del 1 al 4 e incluye exclusivamente números enteros.

Implicaciones para los diseñadores de PCBs del sector

La seguridad es un elemento clave a la hora de diseñar productos automovilísticos e incluye todos los componentes de los mismos. La electrónica desempeña un papel fundamental, al estar implicada es todos los aspectos funcionales del vehículo.

En la actualidad, los diseñadores electrónicos que empleen una de estas herramientas certificadas -Xpedition o PADS Professional- pueden estar seguros de haber adoptado un software que garantiza la seguridad funcional. Xpedition y PADS Professional han sido certificadas para garantizar un nivel de fiabilidad 1 (TLC-1) en la escala de ASIL A a ASIL D. Esta certificación comprende el diseño, la validación y la verificación del esquemático, el layout, la integridad de señal, la integridad de potencia, el análisis térmico y la NPI, por lo que entran en juego otras herramientas complementarias: HyperLynx y Valor NPI.

A.J. Incorvaia, vicepresidente de Mentor EDA Electronic Board Systems ha afirmado: “Haber logrado la conformidad ISO 26262 para nuestros productos Xpedition y PADS Professional, así como para otras herramientas complementarias o de apoyo, permite a nuestros clientes diseñar sistemas electrónicos para el sector automotor garantizando la seguridad funcional. De esta manera, nuestro portafolio de herramientas para el diseño permitirá obtener a nuestros clientes resultados de éxito a la hora de desarrollar productos para la automoción o, lo que es lo mismo, productos altamente fiables a la vez que innovadores”.

Descarga el libro blanco sobre el diseño electrónico en el sector automotor:

Los desafíos ingenierísticos de los vehículos autónomos y cómo superarlos

Los vehículos autónomos presentan una serie de desafíos ingenierísticos que tienen que ver con la variedad de sensores que contienen, su complejo sistema eléctrico, los elevados requisitos en materia de seguridad, etc. Descubre cómo superarlos.

Con síntesis en español.

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Análisis de la integridad de señal en los diseños de baja potencia

A día de hoy, una gran parte de los productos electrónicos que se fabrican exigen un diseño de baja potencia que permita conservar la carga de la batería del dispositivo. Para ello, las redes funcionan con voltajes muy bajos y elaboran los datos de manera más veloz. Esto comporta un aumento de la edge rate, así como de la velocidad de las señales de reloj, lo cual hace que los proyectos sea más susceptibles a la diafonía de otras redes.

HyperLynx, la suite de Mentor para la simulación y el análisis de circuitos impresos, cuenta con una funcionalidad para el control de las redes en términos de diafonía y terminaciones; controla la integridad de de señal por medio del análisis batch.

No es necesario simular todas y cada una de las miles de redes que pueden formar parte de un circuito impreso, sino solamente aquellas que resultan críticas. ¿Cómo localizarlas? Atendiendo a ciertas características de la red, como la edge rate en función de la longitud de la pista.

Para evaluar el nivel de criticidad de una red, es necesario analizar las características de los pines del dispositivo -velocidad de variación, impedancia de entrada, fluctuación del voltaje, tiempo de conmutación, etcétera- y confrontar los datos con la longitud de la red. Durante el proceso conviene contar con un software que pueda ayudar a gestionar la complejidad del mismo. HyperLynx SI permite crear modelos de los dispositivos, en base a fichas técnicas, para simular las redes y poder determinar cuales de ellas resultan críticas. El software de Mentor puede, asimismo, emplear la información proveniente de los modelos IBIS; lee dicha información, reporta la longitud y el retraso de las redes y, de esta manera, localiza las redes que será conveniente simular.

Es igualmente necesario tener en cuenta la teoría de la línea de transmisión, ya que la edge rate y el retraso que se da en las pistas impactan en la calidad de la señal.

Y, también, la impedancia, ya que puede causar reflejos y distorsionar la calidad de la señal cuando las líneas de transmisión superan la longitud crítica. La impedancia incluye las propiedades inductivas y capacitivas de las pistas. El diseñador de circuitos impresos puede controlar la impedancia de las pistas usando ciertos elementos del stack up: la constante y el espesor dieléctricos, el espesor del cobre y el ancho de la pista (cuando este aumenta, la impedancia disminuye y viceversa).

La suite HyperLynx proporciona los instrumentos necesarios para planificar el stack up y obtener el resultado buscado en cuanto a la integridad de señal.

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Análisis de la integridad de señal: las bases

El documento contiene los fundamentos para el análisis de la integridad de señal: redes críticas, teoría de las líneas de transmisión, impedancia, edge rate…

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Carlota HerreroAnálisis de la integridad de señal en los diseños de baja potencia

HyperLynx DRC Free Edition para el diseño de circuitos impresos

Mentor ha lanzado una edición gratuita de su software HyperLynx DRC, de manera que quienes se dedican al diseño de circuitos impresos puedan descubrir las posibilidades que este ofrece.

La edición gratuita de HyperLynx DRC incluye ocho controles de reglas de diseño estándar con los que identificar fácilmente los puntos conflictivos de la placa en cuanto a integridad de señal (SI), integridad de potencia (PI) o compatibilidad electromagnética (EMC). Así mismo, permite generar resultados precisos en breve tiempo, sin la necesidad de preparar modelos de dispositivo, gracias a un solucionador de campos 2D y a los motores integrados para el cálculo geométrico, la búsqueda del recorrido y la extracción de la topología de red.

Con HyperLynx DRC los diseñadores de circuitos impresos, los ingenieros de hardware y los expertos SI, PI y EMC pueden verificar de manera sencilla e interactiva los proyectos para localizar incompatibilidades en el diseño, eliminándose así la necesidad de inspeccionar de manera manual el ciclo de diseño del PCB.

HyperLynx DRC está disponible en cinco versiones:
Free: con 8 reglas, se puede descargar de manera gratuita con licencia de un año.
Gold: con 22 reglas SI, PI y EMC, incluyendo las verificaciones de diafonía y stub para los controles SI convencionales, un control de topología fly-by para DDR3/4 y un control de orden PI de los condensatores de desacoplamiento.
PE: con 23 reglas, ocho controles integrados y un motor geométrico avanzado detecta las interferencias electromagnéticas y de integridad de señal.
Standard: con 32 reglas, documentación detallada sobre los estándares de codificación AOM y DRC, soporte para VBScript y JavaScript, un entorno de escritura y depuración de script, y la posibilidad de crear reglas altamente personalizables.
Developer: con 40 reglas, soporte para VBScript y JavaScript, un entorno de depuración de script integrado y la posibilidad de escribir DRC personalizados, es el adecuado para empresas grandes y medianas.

Primer contacto con HyperLynx DRC

HyperLynx DRC Free Edition ha sido ideado para favorecer un acceso rápido y sencillo a los datos sobre los diseños. El poceso guiado de instalación contiene elementos como la asignación del modelo eléctrico, los componentes discretos o la definición del conector y de la red de alimentación.

El software permite generar automáticamente una lista de objetos específicos (Object List), donde se señalan múltiples propiedades de dichos objetos (condensadores, redes de alimentación, etc.).

En HyperLynx DRC Free Edition es posible modificar los parámetros asociados a cada regla en base a lineamientos tecnológicos y/o de la empresa.
Esta versión del software incluye la generación de informes Sharelist en HTML, para un análisis en profundidad de los errores.

Beneficios de HyperLynx DRC Free Edition

• Subscripción gratuita de un año
• Configuración y navegación sencillas
• Ocho controles de diseño incorporados: SI, PI y EMC
• Soporte para todos los formatos de layout de PCB
• Motor geométrico avanzado para un control de las reglas potente y eficiente
• Posibilidad de modificar los parámetros de las reglas
• Generación automática de informes de errores en HTML

Descargar HyperLynx Free Edition aquí.

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Analisi dell’integrità di segnale con PADS

L’analisi dell’integrità di segnale nella progettazione dei PCB è un’attività sempre più importante, ma che deve fare i conti con la necessità di una costante riduzione dei tempi ritenuti accettabili per arrivare sul mercato (time-to-market), oltre che col bisogno di ridurre i costi. I prodotti, inoltre, devono essere sempre più performanti e più piccoli, dunque caratterizzati da una complessità di progettazione crescente.

Ricorrere a tool dedicati di terze parti richiede sempre un costo aggiuntivo e una certa curva di apprendimento da superare. Dunque può essere molto interessante per i progettisti conoscere le funzionalità di analisi dell’integrità di segnale contenute all’interno di PADS, l’applicativo per l’eccellenza per il PCB Design. Ce lo mostra questo video di Mentor Graphics appena pubblicato.

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