O desenvolvimento de HW já foi uma atividade quase artesanal, no senso em que a

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Desenvolvimento de Hardware utilizando ferramentas CAD/CAE

Gilson Yukio Sato

Objetivo
Estudando este texto, participando do fórum de discussão, da
videoconferência e da sala de bate-papo você vai:
• Conhecer as principais fases do desenvolvimento de produto.
• Conhecer o papel das ferramentas de CAD/CAE no
desenvolvimento de hardware.

Introdução
O desenvolvimento de hardware (HW) já foi uma atividade quase hardware: Parte material que constitui um
equipamento eletrônico.
artesanal, quando a sistematização do processo era muito baixa e
PCB (Printed Circuit Board): Placa de
dependia em grande parte da habilidade do profissional. Por exemplo, no
Circuito Impresso
caso do projeto de placas de circuito impresso (PCB), o layout era
layout (de circuito impresso): disposição
dos componentes sobre uma placa de
praticamente um desenho de “ligue-os-pontos” que exigia uma grande
circuito impresso e distribuição das trilhas
responsáveis pelas conexões elétricas entre
dose de experiência do desenhista. Era preciso reservar espaços para os
os mesmos
componentes com antecedência, utilizar o bom senso para aplicar regras
de concepção.
Não podemos menosprezar a experiência do profissional de PCB, que
ainda, é extremamente valiosa, mas os projetos atuais exigem bem mais
dos projetistas (figura 1). Por exemplo, pense nas facilidades que um
carro tinha 10 anos atrás e nas que têm agora (e.g. reconhecimento de voz e.g.: (do latim, exemplus gratie), por

exemplo.
no Palio). Os sistemas tornaram-se mais complexos, com mais
facilidades. Os primeiros PC funcionavam com um clock de alguns MHz,
hoje funcionam a alguns GHz (velocidade 1000 vezes maior).
Compare os primeiros PC em termos de capacidade com
os PC atuais.
Foi necessário colocar
mais “componentes”
eletrônicos no mesmo
espaço para que isso fosse
possível. Observe que os
sistemas tornaram-se mais
velozes e menores. A
miniaturização dos
sistemas fica bem evidente
também nos telefones
celulares e nos PDA
(Personal Digital
Figura 1 Assistant).
Antes, as pessoas se orgulhavam de possuir um bem por vários anos (“…
tenho essa geladeira há 10 anos e nunca tive um problema!”), hoje elas
querem novidades, novas facilidades, um design mais atraente e tudo isso
em um tempo muito curto.
Pense em quantos celulares novos foram lançados nos
últimos anos.
Essas condições tornaram mais complicada a tarefa dos projetistas e
exigiu que fossem criadas ferramentas, métodos e técnicas para tratar
esses desafios. Por exemplo, o projetista de PCB deixou de ser um
desenhista para realmente fazer um projeto. Agora, ele não só liga os
pontos, mas pode precisar calcular a impedância a trilha para ligará esses
pontos.
Se você se tornar um desses novos projetistas precisará
utilizar efetivamente essas ferramentas, métodos e
técnicas!

O ciclo de desenvolvimento de produto
O ciclo de desenvolvimento de produto que você vai ver é genérico e
pode ser aplicado a qualquer outro produto (figura 2).

Figura 2

Na fase de conceito, você trabalha com idéias surgidas na empresa,
questiona sobre as necessidades/problemas de seus clientes (que talvez
não saibam exatamente o que querem como produto). Por exemplo, o
cliente deseja um leitor/visualizador de DVD que seja portátil, podendo
ser carregado na cintura.
Você transforma o conceito em uma definição estabelecendo de forma
mais detalhada o produto, seu custo em quanto tempo deve estar no
mercado, quais devem ser suas características entre outros fatores (e.g. o
DVD deve custar até R$1000,00 ser compatível com todas as regiões, ter
autonomia de pelo menos 4 horas e utilizar os componentes X e Y, etc).
Na fase de desenvolvimento, você desenvolverá o hardware, o
software/firmware, a parte mecânica, bem como o processo de produção. firmware: programa que vai gravado
em uma memória dentro do sistema
Assim enquanto você está projetando o PCB, seu colega de equipe está
escrevendo o software, outro profissional estará concebendo o design e a
forma como ele será introduzido na linha de produção. Claro que todos
precisam estar sintonizados no trabalho dos demais para evitar problemas.
Imagine o que aconteceria com os custos de projeto se a
placa de circuito impresso não couber dentro do gabinete a
que se destina, ou se o circuito funciona bem em baixas
freqüências, mas deixa de funcionar corretamente quando
a freqüência aumenta.
Na fase de validação, você pede para alguns clientes pilotos testarem o
produto e darem suas opiniões. Se na fase de conceito, você não
consultou os potenciais consumidores, aqui o produto poderá “levar
bomba” e todo seu trabalho estará perdido do ponto de vista de mercado.
Na fase de produção, você implementa o processo que permitirá a
produção do bem de acordo com a demanda do mercado. A fábrica
poderá ter montado “pilotos” para validação, mas agora é necessário que
você torne a operação de forma mais otimizada possível. Esta fase inclui
elementos externos como os fornecedores.
A última é a fase de distribuição, consiste em fazer o produto chegar ao
cliente, respeitando os tempos adequados.
Até este ponto, você pode ter uma visão geral do processo. A partir de
agora enfatizaremos o desenvolvimento de HW.

Detalhando o Desenvolvimento de hardware

A partir de uma especificação elaborada na fase de definição você inicia a
concepção do projeto (figura 3). Sua equipe de projeto elaborará um
diagrama em blocos do sistema e sub-equipes passarão a desenvolver
cada bloco (e.g. no caso do DVD portátil, sua equipe pode desenvolver o
controle dos motores, outra o tratamento do vídeo e assim por diante).
Nessa fase, se você for o projetista poderá fazer um desenho, colagens de
sistemas já existentes ou usar um CAD para capturar o seu projeto. Se
CAD (Computer Aided Design):

Desenho Auxiliado pelo computador
você utilizar o CAD poderá empregar a simulação para auxiliar o
desenvolvimento. Assim você poderá checar alguns pontos do projeto
antes mesmo de testar esses pontos na bancada.
Figura 3
Assim que você tiver algumas definições de componentes, poderá iniciar
a criação da biblioteca CAD. A biblioteca é requisito para que a captura
biblioteca CAD: conjunto de modelos
que representam um componente em
final do esquemático seja feita, bem como o roteamento da placa. A
um projeto. Os modelos mais
freqüentes são o lógico, o geométrico,
criação da biblioteca poderá incluir a criação de modelos para as análises
o elétrico, o térmico e o
eletromagnético.
a serem feitas posteriormente (e.g. térmica). Para acelerar o processo,
diversas pessoas podem trabalhar paralelamente nesta etapa.
Assim que, boa parte dos componentes estiver pronta (na biblioteca
CAD), você poderá iniciar a captura do esquemático. Se o sistema estiver Esquemático: desenho do circuito
utilizando símbolos lógicos. Através
dividido em blocos, você poderá capturar um bloco, outra pessoa ou dele é possível saber o funcionamento
geral do circuito.
equipe poderá capturar outro, reduzindo o tempo de captura.

Com a captura pronta você poderá iniciar o layout da placa.
Paralelamente ao roteamento, outras pessoas poderão fazer a análise
térmica e de compatibilidade eletromagnética da placa. Pronto o layout,
você gerará os dados de fabricação não esquecendo de checá-los (através
de ferramentas específicas).

Simulação Analógica, Digital e Mista.
Durante a concepção dos circuitos, você pode efetuar sua simulação.
Você deve acompanhar a simulação com testes em bancada utilizando
kits de desenvolvimento ou algum outro recurso. Kits de desenvolvimento: é um
sistema padrão, disponível no mercado,
utilizado pelo projetista de hardware
para se familiarizar com o dispositivo
A simulação consiste, através de modelos (matemáticos, (e.g. microprocessador) e fazer os
testes básicos, antes e durante a
lógicos, físicos), em simular o funcionamento do circuito, concepção de um sistema.
testar possibilidade de alterações ou situações difíceis de
serem implementadas em bancada.
A simulação é empregada para diminuir a probabilidade de erros na
concepção do projeto ou para otimizá-lo. Por exemplo, você pode simular
um circuito para decidir qual deve ser a tolerância dos seus componentes
Tolerância: em um componente
eletrônico a tolerância representa o
(quanto menor a tolerância mais caro é o componente), ou ainda simular
quanto esse componente pode se
apresentar fora dos seus valores
uma variação de temperatura aplicada sobre o circuito para descobrir se
nominais.
algum componente sairia de sua área de operação.
Simulação digital

Na simulação digital
(figura 4), você pode
verificar se os
componentes têm
suas temporizações Temporização : componentes possuem
limitação na velocidade que podem
respeitadas, e.g. se operar. Quando um projetista de HW faz
um projeto precisa considerar, por
as memórias exemplo, se o processador não é muito

rápido para a memória.
respondem o
processador a tempo.
Também, pode
verificar se não
ocorre alguma
Figura 4
situação de erro não prevista na concepção, e.g. um pulso de clock não
previsto para um dispositivo (e.g. uma memória) no início da operação do
circuito.
O problema da simulação digital é que para simulação de sistemas
complexos (processadores, memórias e periféricos) os modelos são caros
e por isso, de difícil acesso. Dependendo do sistema, a simulação pode ser
muito demorada e pode não oferece lhe respostas em tempo hábil.
Simulação analógica
Você pode utilizar a simulação analógica tanto no desenvolvimento
quanto na otimização de circuitos analógicos que comporão um sistema.
Por exemplo, você pode otimizar um circuito oscilador para telefonia.
Você deseja saber se a mudança na tolerância de alguns componentes
poderia fazer com que o circuito funcionasse fora da norma. Você poderia
concluir que alguns resistores poderiam ter sua exigência (e custo)
reduzida, mas que um capacitor era crítico para a precisão do circuito.
A simulação permite que você teste diversas situações, variado
parâmetros de forma muito mais fácil que no trabalho em bancada.
Normalmente, os dois trabalhos se complementam.
Com a simulação analógica você pode fazer análise de polarização, de
regime permanente ou transitório, análise estatística (Monte Carlo) e
análise de pior caso.
Você pode obter mais facilmente os modelos analógicos (modelos
SPICE).
Simulação mista
Você pode fazer uma simulação mista. Nela, você poderá observar o
comportamento de um sistema misto com circuitos digitais e analógicos.
A simulação mista esbarra no problema de modelos. Modelos mistos são
difíceis de obter.
Biblioteca CAD
Uma biblioteca CAD consiste em uma base de dados de componentes que
pode ser utilizada para novos projetos. O componente na biblioteca
Símbolo: é uma representação lógica
consiste basicamente em um símbolo, utilizado no esquemático, e em de um dispositivo eletrônico, pode
representar as suas funções e seus
uma geometria (figura 5), utilizada para o roteamento da PCB. Deve pinos.
Geometria: é uma representação física
haver um arquivo que relacione os dois, mas isso pode ser tratado de do componente eletrônico. Mostra a
disposição dos pinos, as dimensões do
forma diferente, conforme a componente entre outros dados físicos.
ferramenta de CAD.

A utilização de uma biblioteca traz
diversos benefícios. Uma vez na
biblioteca, você pode utilizar um
componente (ou mesmo somente o
símbolo ou a geometria) em vários
projetos. Além disso, com um bom
processo de biblioteca, você pode ter
componentes mais confiáveis, pois
não precisam ser criados para cada
projeto. Você pode associar
Figura 5
restrições do processo produtivo,
modelos de análise térmica e compatibilidade eletromagnética permitindo
que todos projetistas tenham essas informações já embutidas no
componente, sem a necessidade de obtê-los a cada projeto.
Você precisa planejar bem a construção de uma biblioteca, assim o
sistema continua sendo efetivo mesmo crescendo. Um erro de
planejamento pode causar um retrabalho muito grande no futuro.
É importante que você utilize bibliotecas de componentes
porque a médio e longo prazos isso otimiza o processo de
desenvolvimento de PCB evitando que o mesmo trabalho
seja executado repetidas vezes.

Captura de esquemático
Quando você captura um esquemático (figura 6), você o coloca em forma
eletrônica permitindo que sejam feitas simulações, seja feito o roteamento
do PCB e a própria documentação do sistema. Você geralmente constrói o
esquemático a partir da biblioteca e dos desenhos (CAD ou papel) feito
pelo projetista de HW.
Em sistemas complexos, você pode fazer um diagrama em blocos e cada
bloco pode ser capturado por você ou por outra equipe, otimizando a
utilização do tempo.
Você deve fazer um
esquemático claro e de forma
cuidadosa, pois é utilizado
posteriormente por várias
pessoas/equipes. O próprio
projetista de HW precisará
para depuração do sistema, o
pessoal de processo para
elaborar como o equipamento
vai ser produzido, o pessoal
de testes utiliza para
desenvolver e implementar os
testes. Posteriormente, você
poderá utilizar o esquemático
para manutenção etc... Além
disso, você poderá reutilizar o Figura 6
esquemático em um novo projeto, ajudando a aumentar a velocidade de
desenvolvimento do novo produto.
Você deve fazer o esquemático para permitir rápida visualização das
ligações e deve organizá-lo de forma que sua leitura seja rápida. Se você
utilizar símbolos com alguma padronização (IEC, ANSI, DIN) a leitura
IEC: International Electrotechnical
Commission
deve ficar mais facilitada.
ANSI: American National Standards
Institute
Você pode padronizar também o nome dos sinais e dos componentes, DIN: Deutsches Institut für Normung
São organizações que trabalham com
facilitando a utilização do esquemático. normalização, tal como a ABNT.
Você deve fazer uma boa conferência no esquemático, já
que o esquemático vai servir de base para todo restante do
projeto.

Roteamento
Você pode entender a etapa de roteamento como um conjunto de várias
sub-etapas. Logo após a captura do esquemático, você pode ter uma fase
intermediária para relacionar os símbolos com as geometrias. É
necessário, então, que você faça o posicionamento dos componentes na
PCB. Nessa sub-etapa, você distribui os componentes sobre/sob a placa.
Então, você deve configurar a ferramenta de roteamento, ou seja, definir
como ela irá operar, as restrições que deverão ser obedecidas, os defaults, Restrições: restrições como largura
das trilhas, tamanho dos furos, entre
etc ... outros.
Com a configuração pronta é necessário que você faça o roteamento
manual das trilhas. As ligações representadas no esquemático deve ser Trilhas: são os filetes de cobre na placa
de circuito impresso que fazem o papel
agora implementadas através das trilhas no PCB. Primeiro você deve ser de ligações entre os pinos dos
componentes.
fazer as trilhas mais críticas como alimentação, sinais de clock, reset e
outras consideradas cruciais pelo projetista de HW.
Após o roteamento manual, você deve fazer o roteamento automático das
trilhas restantes de forma que o PCB seja completado.

Posicionamento
No posicionamento, você
distribui os componentes
sobre e/ou sob a placa (figura
7).
Essa atividade parece
simples de início, mas se mal
executada pode obrigar um
redesenho do projeto.
Você deve fazer o
posicionamento levando em
consideração o máximo de
fatores interferentes. Esses
fatores podem ser:
Figura 7
• restrições mecânicas: como altura ou peso ou necessidade de
dissipador, ...
• restrições térmicas: proximidade de componentes quentes, bloqueio
do fluxo de ar, ....
• restrições de montagem: proximidade de componentes que não
permitem que máquinas de montagem automática insiram os
componentes, ....
• restrições de soldagem: componentes que podem tombar conforme o
processo de solda, pinos que podem curto-circuitar, ...
• restrições elétrica/eletromagnéticas: proximidade de componentes que
trocam sinais rápidos, ou muitos sinais, barramentos invertidos, ...
• restrições de uso: conectores próximos a componentes quentes ou que
podem machucar o usuários, ....

Análise Térmica
Após o posicionamento, você já pode fazer uma análise térmica. A
análise térmica consiste em simular o comportamento térmico da placa
em funcionamento. Com ela, você pode obter o mapa de temperaturas na
superfície da placa, a temperatura nos componentes, quais componentes
estão esquentando mais que o admissível, o fluxo de ar na placa em
diversas situações externas (e.g. você pode imaginar o sistema
funcionando de dia em Fortaleza ou de noite em Curitiba. Pode colocar a
placa deitada ou em pé. ).
Para fazer uma análise térmica, você precisa construir um modelo térmico
do componente e calcular a
potência dissipada em sua
operação. A simulação
permitirá que você e sua equipe
de projeto detectem problemas
como pontos quentes na placa e
testem alternativas com um
mínimo dispêndio de tempo.
Você pode deslocar
componentes facilmente, pode
incluir dissipadores, pode
tentar encapsulamentos
Figura 8 diferentes.
Nessa figura 8 observamos o mapa de temperatura da placa e quais as
regiões quentes onde talvez seja necessária uma ação.

Configuração do roteamento
Na configuração do roteamento, você define quais as regras que o
roteamento deve seguir. Por exemplo, a largura das trilhas, a distância
entre as trilhas, o tamanho das vias, a prioridade com que algumas trilhas
Via: a via é um furo metalizado que faz
contato elétrico entre os layers ou
devem ser roteadas, o comprimento máximo de uma trilha, o formato de
camadas de uma placa de circuito
impresso.
uma trilha entre outras.
Em algumas ferramentas, você pode fazer a configuração através de uma Layer: uma placa de circuito impresso
pode ser composta por vários layers.
espécie de programa, na qual aparecem comandos/regras que as São camadas de cobre e isolante, cada
uma como se fosse uma PCB, mas
ferramentas de roteamento devem seguir. Você pode fazer inclusive todas prensadas juntas.
estruturas if-then-else para que a ferramenta possa seguir caminhos
diferentes conforme a situação.
Aqui, se você for o projetista de PCB, você deve utilizar
seu conhecimento para obter um PCB efetivo. Deve
calcular diversos parâmetros, deve estar atento às restrições
de fabricação e deve usar sua experiência. Se as regras
forem muito rigorosas, o roteamento fica inviável, se muito
frouxas, não auxiliam na prevenção de problemas.

Roteamento Interativo/Automático
Você deve tratar o roteamento automático da placa como um recurso
valioso porque permite que o roteamento seja feito muito mais
rapidamente e com maior qualidade, uma vez que você pode fazer e testar
Os roteadores podem ser de dois tipos
diversas alternativas de roteamento (e.g. imagine que você pode projetar básicos: por grid e por shape. No
roteador por grid, todos objetos,
duas ou três versões e testar a que está melhor em compatibilidade componentes, trilhas e vias devem estar
sobre uma grade. A grade é um
eletromagnética no mesmo tempo em que você reticulado imaginário que serve como
referência para o roteador localizar os
fazia manualmente uma única placa e que objetos. O roteador por shape baseia-se
nas formas dos componentes trilhas e
ainda por cima não sabia se a placa ia passar vias, podendo deslocar objetos
conforme a necessidade.
na análise de compatibilidade
O roteador por shape melhora em muito
eletromagnética). No entanto, os roteadores a eficiência, tanto do roteamento
automático quanto interativo. Acredito
automáticos ainda não atingiram o grau de que para muitas aplicações o roteador
por grid já não seja viável.
maturidade suficiente para rotear sozinhos
uma placa.
Por isso, você usa o roteamento interativo ou
manual (figura 9) antes do roteamento
automático para traçar trilhas que sejam
consideradas críticas, ou seja, cujo potencial
para problemas é maior. Por exemplo, as
trilhas de alimentação, sinais de clock (que
Figura 9 devem ser as mais curtas possíveis), sinais
como reset cuja susceptibilidade pode causar problemas intermitentes.
Você pode ainda precisar do roteamento interativo para concluir trilhas
que o roteamento automático não conseguiu finalizar.
No roteamento automático, a ferramenta de roteamento, obedecendo às
regras que você definiu no processo de configuração, irá tentar concluir
todas as ligações faltantes.
Você pode ser facilitado/dificultado o roteamento pelo posicionamento
dos componentes e pelas regras mais ou menos rígidas. O processo pode
tomar alguns minutos ou horas. De qualquer forma é bem mais rápido que
o processo de roteamento interativo. Por isso, você pode gerar vários
roteamentos e escolher entre um deles em função das análises posteriores
como a de compatibilidade eletromagnética.
Após o roteamento automático é interessante que você faça uma inspeção
visual. Algumas vezes o roteador pode deixar trilhas com formas
estranhas ou pode fazer ligações que visivelmente poderiam ser
melhoradas. Nesses casos você pode utilizar o roteamento interativo para
acertar os detalhes.

Análise de Compatibilidade Eletromagnética
Concluído o roteamento, você pode fazer uma análise de
Compatibilidade eletromagnética:
todos equipamentos eletrônicos emitem
compatibilidade eletromagnética. Uma dos itens dessa análise é a
radiação eletromagnética e são
sensíveis a ela. A compatibilidade
análise de integridade de sinal. Nessa análise a ferramenta computacional
procura fazer com que os equipamentos
não emitam nem sejam tão suscetíveis
aplica um pulso na trilha e observa como se dá a reflexão do sinal nessa
à radiação eletromagnética.
trilha. É como se ao falar ao telefone você escutasse a sua própria voz,
junto coma voz do interlocutor. Conforme o comprimento da trilha, a