Desarrollo acelerado de aplicaciones espaciales

Tesat-Spacecom, filial de Airbus, confía en las herramientas de colaboración de Siemens para acelerar el desarrollo de dispositivos para satélites de comunicaciones: Xpedition-Flow reduce el tiempo de diseño y garantiza la calidad del mismo.

Como tantos otros sectores, el de las comunicaciones espaciales está experimentando rápidos cambios. El sector de los satélites de telecomunicaciones exige productos con mayor funcionalidad y densidad de integración, a menor coste y con un plazo de comercialización más rápido. Esto exige ciclos de desarrollo más cortos y la introducción en el espacio de piezas disponibles en el mercado.

Por eso, un reto constante para el equipo de ingeniería eléctrica de la sede de la empresa en Backnang es llevar sus diseños al mercado con un número mínimo de iteraciones y garantizar al mismo tiempo la calidad del diseño. Para alcanzar estos objetivos al tiempo que diseñan productos más complejos, Bastian Diehm (Métodos y Procesos - Desarrollo y Diseño), Dominik Vogel (Ingeniero de Diseño de PCB) y su equipo han adoptado el flujo de software Xpedition de Siemens EDA.

Equipo de usuarios clave para el desarrollo y el diseño: Como la mayoría de los productos contienen una o más placas de circuito impreso fabricadas por Tesat, el trabajo del departamento de desarrollo y diseño, formado por 200 personas, es crucial para el éxito.

El soporte de ingeniería concurrente proporcionado por la familia Xpedition y la base de datos de desarrollo integrada permiten iteraciones de diseño más rápidas, mientras que la gestión integrada de restricciones junto con la verificación HyperLynx garantizan la corrección del diseño. La solución resultante reduce significativamente el tiempo de diseño para los diseños espaciales de alta densidad del usuario.

Los sistemas electrónicos se centran en placas de circuito impreso HDI (High Density Interconnect) con un elevado número de capas para productos de comunicación de datos. Suelen ser placas de circuito impreso de alta velocidad controladas por impedancia con LVDS (señalización diferencial de baja tensión) y diseños con serializadores/deserializadores (SERDES), en los que se utilizan carcasas de matriz de rejilla de bolas (BGA) y matriz de rejilla de columna cerámica (CCGA).

"Pudimos cumplir nuestros objetivos de tiempo de diseño porque las funciones de esquemáticos, restricciones y diseño de Xpedition nos permitieron utilizar ampliamente la ingeniería concurrente", afirma Dominik Vogel.

Terminal de comunicación láser para constelaciones (ConLCT) de Tesat: gracias al desarrollo con simulaciones paso a paso -eléctricas y térmicas- se pudo acelerar el tiempo de desarrollo y acortar los ciclos dedesarrolloLos diseños convencionales incluyen placas de circuito impreso para aplicaciones de amplificadores de alta potencia y accionamientos iónicos, con especial atención a las placas de circuito impreso de alto voltaje. Sus sustratos de RF se basan en cerámica de baja temperatura (LTCC) y tecnologías de PCB (por ejemplo, MEGTRON7N) para aplicaciones de alta frecuencia. Los diseños incluyen tanto PCB rígido-flexibles (con hasta 10 capas rígidas y tres flexibles) como PCB con compensación termomecánica de tensiones (con insertos cerámicos y de molibdeno). Estas placas tienen un tamaño de hasta 450 x 280 mm, con hasta 24 capas y 4000 piezas por placa, tensión CA/CC de hasta 20 kV, HF de hasta 40 GHz y velocidades de datos de hasta 10 Gbit/s.

Tesat tiene una enorme gama de productos con muchas variantes. Para gestionar estas variantes, es aún más importante reducir el número de retrabajos que se producen con la IP reutilizada por muchas razones, principalmente cambios en el diseño eléctrico, sustitución de componentes y pruebas exhaustivas. Esta amplia cartera de productos también da lugar a una variedad de áreas de diseño, lo que requiere la colaboración en un equipo interdisciplinar. Dependiendo del producto, esta mezcla de áreas heterogéneas incluye equipos de PCB (esquemática y diseño), mecánica, RF, fabricación y software. Además, pueden intervenir equipos de integración de sistemas o de sistemas de sistemas, ya que Tesat también suministra subsistemas a sus clientes.

"Decimos a otros interesados en este proceso que Xpedition EDM es muy valioso sólo por sus funciones de trazabilidad y colaboración, y que la base de datos de diseño integrada es una gran mejora para la ingeniería concurrente", Dominik Vogel, Tesat-PCB-Design.

Equipos de diseño interdisciplinares centrados en el láser

Un proyecto reciente, el nuevo terminal de comunicación láser para constelaciones, fue el primer sistema completo desarrollado con Xpedition. El producto, muy complejo y altamente integrado, requería un alto nivel de conocimientos de integración y debía comercializarse rápidamente para obtener una ventaja competitiva. En este sentido, fue un buen campo de pruebas para la utilización óptima de las nuevas funciones del paquete de software de Siemens.

"El aspecto de integración de alta intensidad del diseño fue especialmente emocionante", recuerda Diehm. Para Tesat, pero también para la comunidad aeroespacial en general, este terminal tiene una densidad de integración muy alta y es muy complejo: hasta 20 capas y 3500 componentes digitales. "Creo que este nivel de integración y complejidad en el contexto del negocio espacial es notable".

En la primera iteración, el equipo utilizó las funciones de verificación de Xpedition EDM. Para la revisión esquemática, los diseñadores podían hacer anotaciones directamente en el navegador web, y el desarrollador podía hacer sus revisiones y anotaciones directamente desde el navegador y luego marcarlas como hechas.

Diehm: "Las herramientas de Xpedition nos ayudaron a alcanzar un nivel de colaboración interdisciplinar sin precedentes. Todo está integrado en el sistema Xpedition EDM, todo ocurre en el mismo navegador web. Se puede acceder desde cualquier lugar y no es necesario enviar correos electrónicos ni archivos".

La línea de producción híbrida de Tesat

Para el equipo de diseño y producción, este tipo de gestión continua de dispositivos y sistemas electrónicos era cada vez más necesario en los proyectos de los clientes. Una transformación digital de todo el flujo de diseño y fabricación requiere una gestión de datos continua y centralizada que dé como resultado una fuente única, viva y compartible de datos de diseño y biblioteca: una única fuente de la verdad, a la que Diehm y Vogel se refieren como fuente única de la verdad. Esta única fuente de verdad protege la integridad de los datos y acelera las iteraciones, entre otras cosas.

Además, Xpedition también admite la colaboración entre las partes mecánica y de PCB para que puedan avanzar juntas y acelerar las iteraciones. "La repetición de las comprobaciones de diseño en la herramienta mecánica Siemens NX también ayudó a minimizar el número de iteraciones de diseño", señala Vogel.

Ingeniería concurrente

Módulo HDI TR de TesatMientras quelas herramientas anteriores les obligaban a diseñar secuencialmente (del esquema a la disposición y al diseño), Xpedition permitía la ingeniería concurrente al permitir el desarrollo paralelo del esquema y la disposición. Esto acortó el tiempo de desarrollo desde la introducción del esquema hasta la publicación de los datos de producción.

Todos los diseños de las placas de circuito impreso de este proyecto se realizaron con Xpedition. La colaboración y el intercambio de datos entre el esquema y el diseño eran importantes porque, aunque Tesat utiliza normalmente un diseñador para el diseño y otro para el esquema, también hay diseños con varios diseñadores de esquemas y un diseñador de diseños, y en ambos casos necesitan trabajar simultáneamente.

"Hemos podido alcanzar nuestros objetivos de tiempo de diseño gracias al amplio uso de la ingeniería concurrente que permiten las funciones de esquema, restricciones y diseño de Xpedition", afirma Vogel. "Las funciones de enrutamiento automático de Xpedition nos han ahorrado mucho tiempo en la fase de diseño. Ahora estamos intentando aprovechar más las nuevas funciones y posibilidades que ofrece Xpedition." Las funciones de trazabilidad y colaboración por sí solas hacen que el sistema sea muy valioso. "La base de datos de diseño integrada también supone una gran mejora para la ingeniería concurrente".

Gestionar componentes de circuito y restricciones

Tesat puede tener hasta 50 variantes para un diseño. Los diseños se reutilizan en muchos productos, incluso de una generación a otra. Por eso la gestión de variantes es especialmente importante. "Especialmente si se utiliza un circuito a menudo en la misma PCB, es una función muy interesante de Xpedition copiar una pieza e instanciarla correctamente quizá cinco, seis o siete veces", dice Diehm.

El gestor de restricciones de Xpedition también ayudó a reducir los ciclos de iteración entre los equipos de desarrollo y diseño y a acortar el tiempo de desarrollo. "Antes, solo podíamos incluir unas pocas restricciones en nuestra herramienta", recuerda Diehm. "Ahora podemos incluir todas nuestras restricciones en el Constraint Manager. "Como todo es digital y está en una única cabina de la herramienta, el diseñador esquemático puede ver el diseño en cualquier momento a medida que avanza y cambiar cosas según sea necesario, por lo que no tenemos tantas iteraciones".

Además, las funciones de gestión de la biblioteca de EDM no sólo facilitaron la asignación de elementos de una biblioteca de componentes, sino que también ayudaron a mejorar la calidad del diseño.

"El gestor de bibliotecas realizaba más comprobaciones y su uso era más intuitivo que el de nuestra antigua herramienta. Se realizaban gráficamente con el gestor de bibliotecas", prosigue Vogel. Además, las comprobaciones del gestor de bibliotecas EDM de Xpedition son más complejas, por lo que detectan más errores antes de finalizar la PCB y enviarla a producción. Así que tenemos corrección por biblioteca o corrección por diseño".

Verificación durante el diseño

Productos láser de TesatUnode los retos más difíciles en el desarrollo del nuevo terminal de comunicación láser fue el uso de una placa de circuito impreso con memoria DDR4 de segunda generación. Los análisis de integridad de la señal, eléctricos, térmicos y de radiación, con el apoyo de Xpedition, ayudaron a la empresa a resolver rápidamente este reto, al tiempo que se evitaba la repetición del trabajo y se mejoraba la calidad del diseño.

"Fue todo un reto cumplir los requisitos de la PCB DDR4", recuerda Vogel. "Utilizamos el análisis de integridad de la señal Hyper-Lynx para la simulación y lo comprobamos durante la fase de diseño. Esto no habría sido posible con nuestra antigua herramienta. Esto nos permitió cumplir todos los requisitos en la primera iteración del diseño".

Diehm añade: "También realizamos análisis de radiación como parte de nuestro proceso de proyecto", lo que garantizó que el diagrama del circuito también fuera comprobado por un especialista adecuado: otro buen ejemplo de ingeniería concurrente, ya que el analista no suele participar sólo al final, cuando hay que crear un documento de radiación para el cliente, sino también durante el desarrollo del diagrama del circuito para encontrar las opciones del circuito que son intolerantes a la radiación."

Las simulaciones eléctricas y térmicas también han ayudado a minimizar el número de reprocesados. Diehm: "Gracias al desarrollo acompañado de simulaciones paso a paso -eléctricas y térmicas- hemos podido acelerar aún más el tiempo de desarrollo y, al mismo tiempo, acortar los ciclos de desarrollo."

En resumen, el flujo de Xpedition permitió iteraciones de diseño más rápidas gracias a sus capacidades de diseño concurrente y a su base de datos integrada, mientras que sus funciones de gestión de restricciones garantizaron la corrección del diseño.

"En el desarrollo de nuestro nuevo terminal de telecomunicaciones láser, observamos una mejora de la calidad, menos cambios de diseño entre la placa enchufable y el modelo de vuelo, y una mayor calidad del diseño al evitar errores de diseño", informa Vogel. Los desarrolladores también pudieron cumplir los estrictos requisitos de retardo del modo diferencial y respetar un calendario de proyecto muy ajustado. La mayor eficacia de las actividades de diseño aumentó el rendimiento de ingeniería, lo que significa que se pudieron crear más diseños en el mismo tiempo.

Tesat dispone de un sistema interno de seguimiento de defectos de producción que también se utiliza para controlar los defectos relacionados con la ingeniería y el diseño. Se comprobó que la nueva solución mejoraba claramente la calidad del diseño de las placas de circuito impreso, ya que el sistema de seguimiento de defectos mostraba menos errores.

www.tesat.de, www.eda.sw.siemens.com